Chiralitet og chiral-induceret spin-selektivitet

Kiralitet beskriver et molekyle, der ikke kan overlejres på sit eget spejlbillede. To geometrisk forskellige chirale molekyler med samme formel, kendetegnet ved R- og S-konfigurationen, udviser forskellige optiske egenskaber. Mere spændende er det, at en materialeblok lavet af de samme chirale molekyler kan fungere som en sikkerhedsport, når elektroner myldrer igennem og kun giver adgang til elektroner med samme spin-identitet. Det vil sige, at elektroner i spin-up-tilstand vil finde vej gennem de chirale molekyler, der favoriserer spin-up-tilstand, mens elektroner i spin-down-tilstand vil blive blokeret og afbøjet, eller omvendt. Denne iboende filtreringseffekt kendt som chiral-induceret spinselektivitet (CISS) er af stor interesse for kvanteinformationsbehandling, hvor information lagres som spinladning.

I denne forskning offentliggjort i Nature , designede forskere i Duans gruppe et spin tunneling junction lavet af chiral molecular intercalation superlattices (CMIS), en struktur, der bringer det bedste frem af CISS.

Unik struktur:Chirale molekylære interkalationssupergitter (CMIS)

En spin tunneling junction er et spin-filter, som forskere samler for at evaluere CISS og ydeevnen af ​​deres valgte chirale materiale. Den grundlæggende opsætning inkluderer en metalelektrode til at lede elektricitet, et ferromagnetisk materiale, der selektivt kontrollerer den indkommende strøm til kun at være i 1 spin-tilstand:enten spin op eller spin ned. En blok af chiralt supergitter er klemt ind imellem, hvilket design er forskningsgrundlaget for mange.

Traditionelt er filterstrukturen lavet af selvsamlede molekylære lag, som har chirale molekyler ("tapperne" i figur 1) spin coat direkte på det ferromagnetiske materiale. Den resulterende kvalitet forringes i vid udstrækning af defekter kendt som nålehuller, som lader det modsatte spin glide forbi. Pinholes gennemtrænger, når antallet af knopper stiger, hvilket begrænser rækkevidden af ​​maksimal spin-selektivitet.

I lyset af tilfældet tager Duans gruppe en innovativ tilgang til at lave chirale molekylære intercalation superlattices (CMIS) som filter i stedet. Forskellig fra den traditionelle struktur er et supergitter en højordens, periodisk struktur lavet af vekslende lag af flere materialer. Til deres CMIS har holdet enten en venstrehåndet R-α-methylbenzylamin (R-MBA) eller den højrehåndede S-α-methylbenzylamin (S-MBA) indsat mellem værtslaget af tantaldisulfid (TaS2) ark, en syntetisk proces kendt som interkalation.

"Supergitteret fungerer som at stable legoklodser på hinanden for at lave et flertrinsfilter, denne struktur bringer dens spin-selektivitet til det næste niveau," sagde medforfatter Dr. Huaying Ren. "Det minimerer i høj grad nålehuller gennem 2D-beskyttelseslaget."

Evaluering af filtreringseffekt

En sådan enhed skaber et hidtil uset plot af strøm vs. magnetfelt, der markerer brud på elektronfiltreringsgrænsen (figur 2).

I figur 2a er supergitteret lavet af chiralt molekyle R-MBA interkaleret i H-fase TaS₂ . During the field sweep scan, when the magnetic field is greater than the coercive field of the Cr₃ Te₄ , the out-of-plane ferromagnetic ordering in Cr₃ Te₄ switches abruptly, causing an abrupt change of the spin polarization and, thus, an abrupt change in the tunneling probability through the CMIS, resulting two extreme current states. Similar but opposite behavior is also observed when S-MBA chiral molecule was used as the chiral molecule.

By calculating the spin polarization ratio, the ratio between the two extreme currents and a key criteria to evaluate the performance of the device, 63% is reached. Considering the traditional approach can only reach a ratio of single digit, the current work is remarkably among the highest spin selectivity achieved.

This exciting experimental result invites more investigation in the application of chiral molecular intercalation superlattices.

"The performance is highly specific to the materials we used, our next plan is to explore other possible chiral materials, 2D host material, and ferromagnet with further improved performance to enable practical applications," co-author Dr. Qi Qian said. + Udforsk yderligere

Inducing and tuning spin interactions in layered material by inserting iron atoms, protons