Manipulerende elektron spin ved hjælp af kunstige molekylære motorer

Kunstige molekylære switches og maskiner har gennemgået hurtige fremskridt i løbet af de sidste årtier. Især, kunstige molekylmotorer er yderst attraktive set fra chiralitetskift under rotationstrin. Nu, forskere fremstillede en elektrons spin-filtreringsenhed, der kan ændre spinpolarisationsretningen ved lysbestråling eller termisk behandling. De foreliggende resultater er gavnlige for udviklingen af ​​solid-state-funktionaliteter, der stammer fra nanoserede bevægelser af molekylære switches.

I spintronics, brugen af ​​organiske materialer som et "spintransportmateriale" har for nylig vakt betydelig opmærksomhed, da de udviser lange spin-afslapningstider og lange centrifugeringslængder på grund af lyselementers svage spin-orbit-interaktion (SOI). I mellemtiden, den svage SOI af organiske materialer bliver en ulempe, når de bruges som et "centrifugeringsfilter". En spin-polariseret strøm er, derfor, typisk genereret af uorganiske materialer med ferromagnetisme eller stærke SOI'er. Imidlertid, det nylige fund af spinselektiv elektrontransport gennem chirale molekyler, dvs. den såkaldte chiralitetsinducerede spin-selektivitet (CISS) effekt foreslår en alternativ metode til brug af organiske materialer som spinfiltre til spintronics -applikationer. Gennem denne effekt, højrehåndede og venstrehåndede molekyler genererer ned- og op-spin, henholdsvis. Imidlertid, chirale molekyler, der er anvendt i de hidtil rapporterede forsøg, er statiske molekyler. Derfor, manipulation af spin-polarisationsretning med eksterne stimuli er ikke blevet realiseret endnu.

Nu, forskere ved Institute for Molecular Science, RIKEN, Nara Institute of Science and Technology, Suranaree University og Vidyasirimedhi Institute of Science and Technology fremstillede en ny solid-state spin-filtreringsenhed, der klemmer et tyndt lag kunstige molekylmotorer (figur 1). Fordi de kunstige molekylære motorer demonstrerer 4 gange chiralitetsinversion ved lysbestråling og termiske behandlinger under 360 graders molekylær rotation, spin-polarisationsretningen for elektroner, der passerer gennem molekylmotorerne, bør skiftes ved lysbestråling eller termiske behandlinger.

Figur 2 viser (til venstre) magnetoresistans (MR) kurverne registreret efter forskellige synlige lysbestrålingstider for en enhed fremstillet med en venstrehåndet isomer. I den oprindelige tilstand, der blev observeret en klar antisymmetrisk MR -kurve med en negativ hældning, hvilket betyder en klar op-spin-selektivitet. MR -signalet faldt, efterhånden som lysbestråling foregik, og endelig blev hældningen af ​​MR -signalet omvendt til positiv, hvilket angiver en lysinduceret centrifugering i den spin-polariserede strøm fra op-spin-selektiv til ned-spin gennem den venstre-til-højre-højre-chiralitetsinversion. En efterfølgende termisk aktiveringsproces for den venstrehåndede isomer vendte MR-kurvens hældning fra positiv til negativ igen, som vist i figur 2 (højre), hvilket indebærer en termisk aktiveringsinduceret spin-omskiftning fra down-spin-selektiv til up-spin-selektiv gennem højrehåndet-til-venstrehåndet chiralitetsinversion. Lignende fænomener blev observeret i efterfølgende målinger efter foto-bestråling og termiske behandlinger. Denne serie af eksperimenter viste klart, at 4 gange spin-switch blev induceret under 360-graders rotation af molekylmotorerne.

I denne nye type nye organiske spintronics -enheder, højrehåndet/venstrehåndet chiralitet, som er oprindelsen til spin-polarisationsgenerering gennem CISS-effekten, genkonfigureres ved hjælp af eksterne stimuli og præcis styring af spin-polarisationsretningen i de spin-polariserede strømme ved hjælp af en kunstig molekylær motor blev realiseret, for første gang. De nuværende resultater er gavnlige for udviklingen af ​​næste generations organiske foto-/termospintroniske enheder kombineret med molekylære maskiner.