Forskere bygger det mindste kabel, der indeholder en spin-switch

En undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation involverer forskere fra Madrid Institute for Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA) og University of Sevilla har for første gang målt den elektriske ledningsevne af et enkelt kulstof nanorør med spin-tværbundne molekyler indeni.

I takt med at elektroniske enheder fortsætter med at skrumpe for at imødekomme markedets krav, forskere arbejder på at udvikle de små komponenter, der får dem til at fungere. Der er en vedvarende efterspørgsel efter hurtige og effektive processer, og spin-logik (Spintronics) enheder kunne være løsningen til at forme fremtidens computere. Her, magnetiske molekyler kunne tilføje et nyt twist til konventionel elektronik. I særdeleshed, spin-crossover (SCO) molekyler er i overensstemmelse med en familie af nuldimensionelle (0D) funktionelle enheder, der viser en radikal spin switch udløst af en elektrostrukturel ændring, der kan aktiveres af ekstern stimulus såsom lys, tryk eller temperatur. Spin-switchen giver SCO-molekyler fremragende egenskaber og funktionaliteter til implementering i nanoelektronik. Imidlertid, deres isolerende karakter forhindrer disse molekyler i at blive fuldt udnyttet indtil videre. Flere grupper har indlejret SCO-molekyler i matricer af ledende materiale, men resultaterne er ikke fuldt ud kompatible med kravene til enheder i nanoskala.

Et banebrydende system til effektivt at inkorporere SCO-molekyler i ledende materialer er at indføre dem i ledende kulstofnanorør. Carbon nanorør er endimensionelle (1D) materialer, stærk, letvægts og, mest vigtigt, stærkt elektrisk ledende miniature ledninger, typisk 1-5 nanometer i diameter, men op til centimeter i længden. For første gang, en gruppe forskere ved IMDEA Nanociencia har indkapslet Fe-baserede SCO-molekyler inde i kulstofnanorør. De enkeltvæggede kulstof nanorør fungerer som ledende rygrader, der bærer, beskytte og fornemme SCO-spintilstanden af ​​molekylerne, og overvinder deres isolerende ulemper.

Forskerne, ledet af prof. Emilio M. Pérez, Dr. José Sanchez Costa og Dr. Enrique Burzurí, studerede elektrontransporten gennem individuelle kulstofnanorør indlejret i nanoskalatransistorer ved dielektroforese. De fandt en ændring i nanorørets elektriske ledningsevne, der er modificeret af spin-tilstanden af ​​de indkapslede SCO-molekyler. Overgangen mellem de to ledende tilstande udløses af en termisk kontakt, der viser sig ikke at være symmetrisk:overgangstemperaturpunktet er ikke det samme, når man går ned end op af termometeret. Dette faktum åbner en hysterese, der ikke er til stede i krystallinske prøver, og mange interessante potentielle anvendelser for hybridsystemet opstår:"Disse systemer er som mini-hukommelseselementer på nanoskala, da de præsenterer en hysteresecyklus med temperaturvariation. De kunne også tjene som et spin-filter (en efterspørgsel efter spintroniske enheder), fordi nanorøret "føler", om molekylet har spin eller ej," siger Dr. Burzurí.

De eksperimentelle resultater understøttes af teoriberegninger fra forskere ved Universidad de Sevilla. Under skiftet, SCO-molekylernes orbitaler ændrer sig og dermed deres hybridisering med kulstofnanorøret, som igen ændrer den elektriske ledningsevne af sidstnævnte. SCO-molekylerne i deres lave spin-tilstand har en stærkere interaktion med nanorørene; det er sværere for dem at ændre deres spin-tilstand, og dette oversættes til et "spring" i nanorørets ledningsevne ved en bestemt temperatur, afhængig af den indledende spin-tilstand.

Denne første indkapsling af SCO-molekyler inde i enkeltvæggede kulstofnanorør er et grundlæggende forskningsresultat, der hjælper med at forstå disse molekylers adfærd, når de er indespærret i meget små rum, og giver en rygrad til deres udlæsning og positionering i nanoenheder. Forfatterne håber, at en sådan blandingsdimensionel (0D-1D) hybrid kan udnytte de bedste egenskaber ved deres bestanddele, at udnytte spin-tilstanden som en anden grad af frihed. Denne lille ledning og switch kan fremstilles i en forberedende skala og kan repræsentere et relevant trin i udviklingen af ​​magnetiske systemer i nanoskala.