阿尔伯特·爱因斯坦曾言“上帝不掷骰子”，此语表达了他对量子力学概率性的批判态度。然而，相对论作为他另一重大贡献，却成为理解电子行为——这一量子力学核心对象的关键工具。电子的微小尺寸要求用量子力学分析其行为，而其高速运动又需相对论来考量，两大理论出发点迥异，统一描述面临挑战。

近日，《物理评论快报》上刊登的一项新研究，为弥合这一鸿沟提供了新思路，有望重塑我们对固体中电子动力学的理解。该研究由韩国蔚山科学技术大学Noejung Park教授与延世大学Kyoung-Whan Kim教授领衔，提出了一种新理论框架，旨在更精确地描述固体材料中的电子自旋。

电子具有自旋角动量和轨道角动量两种形式，二者通过自旋轨道耦合相互影响，对材料的磁性和导电性能至关重要。但自旋轨道相互作用多源于高能量下的相对论效应，而固态系统中低能量下的量子力学现象占主导，这限制了统一模拟自旋轨道效应的能力。为此，研究团队创新性地提出无需依赖轨道角动量算符来描述自旋轨道耦合，转而引入自旋晶格相互作用概念，将相对论效应直接融入电子的量子力学描述中。

通过将新方法应用于一维导体、二维绝缘体和三维半导体等多种物理系统，研究团队验证了其有效性。结果显示，与传统模型相比，新方法在预测自旋分布、自旋电流和磁响应方面表现出更高的准确性和效率。联合研究团队表示：“我们的方法解决了量子力学和相对论间的计算不一致问题，为自旋电子学和下一代存储器件研究奠定了基础。”

这项进展由宾夕法尼亚大学博士后研究员Bumseop Kim博士牵头，为更精确模拟自旋现象提供了新途径，并可作为设计先进自旋电子器件和量子信息技术的基础理论。

更多信息： Bumseop Kim 等人，《固体中与离散平移对称性相容的相对论自旋-晶格相互作用》，《物理评论快报》(2025)。期刊信息： 《物理评论快报》