通常光磁效应只与具有空轨道的磁性原子有关，这是由于磁性原子能够在光诱导下产生具有高自旋态的电子中心，从而产生磁场。虽然贵金属具有高电子密度，但由于不存在电子自旋极化，不能作为光磁材料。

手性是一种基本的对称性质：手性物体存在一对不可重叠的镜像，手性场可以打破时间反演和空间反演对称性。手性材料将通过与手性场的选择性相互作用或通过手性印记产生的手性等离子体共振，产生对各种物理性质的手性各向异性响应，如光学共振、电阻和磁阻。由于电子在螺旋电场中运动时会产生有效磁场，电子自旋与螺旋的手性势产生自旋-轨道耦合（spin-orbital coupling，SOC），在不对称SOC作用下，相反自旋电子的定向排列会导致静磁场的产生、增强和稳定。因此在某些特定条件的激发下，将手性赋予具有活泼电子的贵金属材料，可以产生不对称磁场。

鉴于此，车顺爱教授课题组报道了以手性分子作为对称性破缺剂合成的手性纳米结构金膜（chiral nanostructured Au films，CNAFs）能产生光磁-手性各向异性（photomagnetic-chiral anistropy，PM-ChA），即在非偏振激光照射下在相反手性的手性纳米结构金膜产生方向相反的磁场。PM-ChA产生的原理为：相反手性螺旋结构中电子运动诱导的有效磁场引起了不对称SOC，引起特定自旋的定向排列，最终手性纳米结构金膜产生磁场。此外，具有不同手性的对映体分子在手性纳米结构金膜的磁场作用下产生不同的自旋极化，对映体分子的自旋极化与手性纳米结构金膜的自旋极化产生选择性自旋极化耦合，使手性纳米结构金膜的磁场强度发生改变，且磁场强度与手性分子对映体过量（enantiomeric excess，ee）值线性相关。最终，可以利用手性纳米结构金膜磁场强度与手性分子ee值间的线性关系，构建基于磁场的对映体ee值定量检测方法。该方法不使用圆偏振系统，无需将待测样品分离，具有操作简单、成本低、高效灵敏等优点。

手性纳米结构金膜的制备及结构表征

首先，以N-乙酰-L/D-半胱氨酸作为对称性破缺剂，诱导在硅/石英基板上生长CNAFs。金膜由长度约为500纳米，垂直生长在含硅基底表面的金纳米纤维构成。金纳米纤维晶体具有典型的面心立方结构，属于Fm3m空间群，且沿<111>方向择优取向生长。结构解析表明，金纳米纤维是由正四面体结构单元沿着特定方向通过共享孪晶面排列形成的Boerdijk-Coxeter-Bernal结构。N-乙酰-L -半胱氨酸和N-乙酰-D-半胱氨酸分别合成右手性的CNAFs（R-CNAFs）和左手性的CNAFs（L-CNAFs）。

手性纳米结构金膜的光磁-手性各向异性

研究人员通过施加光照，发现相反手性的手性纳米结构金膜能够表现出大小相等、方向相反的磁场，这就是PM-ChA。由于电与磁总是相伴随存在，螺旋线圈通电有可能产生磁场。推测CNAFs的PM-ChA产生的原因可能是，在光照下CNAFs中产生光电流，电流沿着螺旋路径传播，产生磁场。研究人员通过电化学工作站探究CNAFs的光电流，发现相反手性的CNAFs在开启激光器时均表现出约150 nA的光电流，在保持激光器开启时出现缓慢的弛豫过程，关闭激光器时立即消失。将CNAFs引入电路并施加电势，当分别施加正电势和负电势时，R-CNAFs产生正和负磁场，L-CNAFs表现出与R-CNAFs相反的电磁现象。证明了CNAFs的光磁场的产生是材料中光电流运动的结果。

手性纳米结构金膜的电子自旋选择性

通过磁导原子力探针显微镜（mc-AFM）研究受控于尖端和薄膜自旋极化的隧穿电导，分析CNAFs的自旋极化行为。当针尖磁化方向为UP时，R-CNAF中的电流随着偏压的增加而显著增加，而当针尖磁化方向为DOWN时，电流变化减弱，表明自旋向上电子在R-CNAF中流动比自旋向下电子更容易。L-CNAF中磁化尖端的电流行为与R-CNAF中的相反。造成这种现象的原因是，CNAFs 可以作为一种自旋电子过滤器，由于CNAFs同时具有重原子和低对称性两种特性，所以CNAFs会具有很强的 SOC。由于 SOC 的存在，电子的磁矩会受到一个等效磁场的影响，使一种自旋的电子稳定，另一种自旋的电子不稳定。并且，在相反手性的材料中会产生相反方向的等效磁场，电子能否顺利通过手性材料取决于自旋方向。

通过磁圆二色光谱（MCD）进一步研究了CNAFs产生的磁场和自旋极化现象，该光谱测量了存在外部静态磁场时自旋对右手和左手圆偏振光的吸收差异。当施加±0.005 T的外部磁场于CNAFs时，MCD光谱并不是镜像的。在+0.005 T时，在高能量侧观察到更强的负峰，表明R-CNAFs中自旋向上的电子比自旋向下的电子更多，而在-0.005 T时，R-CNAFs的MCD信号消失，说明R-CNAFs在CD的光源照射下的自发产生的磁场为0.005 T。在L-CNAFs中能够观察到产生与R-CNAFs大小相等方向相反的磁场。

基于上述结果，推测CNAFs产生PMF的机理，可分四步进行描述。（i） 由于手性金纳米螺旋纤维与沿纤维传播的非偏振或线偏振入射电磁波的共振耦合，可以产生表面等离子体共振。由于等离子体中的原子位置是固定的，等离子体的运动实际上是手性金纳米螺旋结构中电子的运动。（ii）沿净电场/电势方向的螺旋轨迹传播的电子产生有效磁场（B），方向取决于电势的“手性”，而电势的“手性”取决于材料的“手性”。（iii）在具有反转不对称性的晶体材料中，固有的自旋-轨道相互作用将电子自旋与其动量耦合。由于手性势的存在，SOC导致一个自旋方向稳定存在和另一个自旋方向不能稳定存在，而自旋的稳定与不稳定取决于CNAFs的手性。也就是说，具有相反手性结构中的不对称SOC导致运动电子的自旋态能量发生相反的变化。因此，自旋向下和自旋向上电子分别通过R-和L-CNAFs传输。（iv）具有相反自旋极化的电子在非对称SOC下的定向排列，导致在具有相反手性的CNAF中静态磁场的增强和稳定。

手性纳米结构金膜对手性分子的光磁-手性各向异性

在磁场作用下，手性分子电子跃迁产生对圆偏振光选择性吸收，可能会引起手性分子的手性选择性自旋极化。因此当在CNAFs表面负载手性分子时，手性分子的自旋极化可能会与CNAFs的自旋极化产生手性选择性相互作用，从而影响CNAFs的磁场强度。且CNAFs的磁场强度很可能与手性分子的ee值相关，这为定量检测对映体ee值提供了一种新的思路。

该研究发现，除了手性中心数量相等手性相反的分子外，其他所有对映体都可以通过CNAFs对手性分子的PM-ChA识别，其g因子在0.9-1.48（g因子接近2说明检测效果好）。目前，没有发现g因子与任何分子特征，包括官能团的大小、性质和数量、电偶极构型和发色团等的关联性。

结论与展望

综上所述，具有手性结构的金纳米材料中产生了光磁手性各向异性，该效应是由于电子在螺旋结构中运动，在有效磁场诱导下，自旋极化电子定向排列而产生的。由于CNAFs和对映体的手性选择性自旋极化耦合，使CNAFs的磁场与对映体的ee值呈线性关系，这为对映体ee值的定量检测提供了一种简便高效的方法。该磁场控制系统在自旋阀、自旋场效应晶体管和自旋发光二极管等领域具有广阔的应用前景。基于自旋极化特性的磁场控制系统能为电磁学和量子力学提供新的理论基础。