Chiralität und chiralinduzierte Spinselektivität

Chiralität beschreibt ein Molekül, das seinem eigenen Spiegelbild nicht überlagert werden kann. Zwei geometrisch unterschiedliche chirale Moleküle derselben Formel, die sich durch die R- und S-Konfiguration unterscheiden, weisen unterschiedliche optische Eigenschaften auf. Noch faszinierender ist, dass ein Materialblock aus denselben chiralen Molekülen wie ein Sicherheitstor fungieren kann, wenn Elektronen durchschwärmen und nur Elektronen mit derselben Spinidentität Zugang gewähren. Das heißt, Elektronen im Spin-up-Zustand bahnen sich ihren Weg durch die chiralen Moleküle, die den Spin-up-Zustand bevorzugen, während Elektronen im Spin-down-Zustand blockiert und abgelenkt werden oder umgekehrt. Dieser als chiral induzierte Spinselektivität (CISS) bekannte intrinsische Filtereffekt ist von großem Interesse für die Quanteninformationsverarbeitung, bei der Informationen als Spinladung gespeichert werden.

In dieser Studie veröffentlicht in Naturentwarfen Forscher in Duans Gruppe einen Spin-Tunnel-Übergang aus chiralen molekularen Interkalationsübergittern (CMIS), einer Struktur, die das Beste aus CISS herausholt.

Einzigartige Struktur: Chiral Molecular Intercalation Superlattices (CMIS)

Eine Spintunnelverbindung ist ein Spinfilter, den Forscher zusammenbauen, um CISS und die Leistung ihres gewählten chiralen Materials zu bewerten. Der Grundaufbau umfasst eine Metallelektrode zum Leiten von Elektrizität, ein ferromagnetisches Material, das den eingehenden Strom selektiv so steuert, dass er nur in einem Spin-Zustand ist: entweder Spin-Up oder Spin-Down. Dazwischen ist ein Block eines chiralen Supergitters eingeklemmt, dessen Design für viele das Forschungsgebiet ist.

Herkömmlicherweise besteht die Filterstruktur aus selbstorganisierten molekularen Schichten, die chirale Moleküle (die „Stifte“ in Abbildung 1) direkt auf das ferromagnetische Material aufschleudern. Die resultierende Qualität wird stark durch als Pinholes bekannte Defekte verschlechtert, die einen entgegengesetzten Spinschlupf passieren lassen. Pinholes dringen mit zunehmender Anzahl von Noppen ein, was die Reichweite einer maximalen Spinselektivität begrenzt.

Angesichts dieses Falls verfolgt Duans Gruppe einen innovativen Ansatz, um stattdessen chirale molekulare Interkalationsübergitter (CMIS) als Filter herzustellen. Anders als die herkömmliche Struktur ist ein Übergitter eine periodische Struktur hoher Ordnung, die aus abwechselnden Schichten mehrerer Materialien besteht. Für ihr CMIS hat das Team entweder ein linkshändiges R-α-Methylbenzylamin (R-MBA) oder ein rechtshändiges S-α-Methylbenzylamin (S-MBA) zwischen die Wirtsschicht aus Tantaldisulfid (TaS2)-Folie eingefügt, a Syntheseprozess, bekannt als Interkalation.

„Das Übergitter funktioniert wie das Stapeln von Legosteinen, um einen mehrstufigen Filter herzustellen. Diese Struktur bringt seine Spinselektivität auf die nächste Stufe“, sagte Co-Autor Dr. Huaying Ren. „Pinholes durch die 2D-Schutzschicht werden deutlich minimiert.“

Bewertung der Filterwirkung

Ein solches Gerät erzeugt eine noch nie dagewesene Darstellung des Stroms über dem Magnetfeld, die den Bruch der Elektronenfiltergrenze markiert (Abbildung 2).

In Abbildung 2a besteht das Übergitter aus dem chiralen Molekül R-MBA, das in die H-Phase TaS2 interkaliert ist. Wenn während des Feld-Sweep-Scans das Magnetfeld größer als das Koerzitivfeld von Cr3Te4 ist, schaltet die ferromagnetische Ordnung außerhalb der Ebene in Cr3Te4 abrupt um, was eine abrupte Änderung der Spinpolarisation und damit eine abrupte Änderung der Spinpolarisation verursacht Tunnelwahrscheinlichkeit durch das CMIS, was zu zwei extremen Stromzuständen führt. Ein ähnliches, aber entgegengesetztes Verhalten wird auch beobachtet, wenn das chirale S-MBA-Molekül als das chirale Molekül verwendet wurde.

Durch die Berechnung des Spinpolarisationsverhältnisses, dem Verhältnis zwischen den beiden Extremströmen und einem Schlüsselkriterium zur Bewertung der Leistung des Geräts, werden 63 % erreicht. In Anbetracht der Tatsache, dass der traditionelle Ansatz nur ein einstelliges Verhältnis erreichen kann, gehört die aktuelle Arbeit bemerkenswert zu den höchsten erreichten Spinselektivitäten.

Dieses aufregende experimentelle Ergebnis lädt zu weiteren Untersuchungen in der Anwendung chiraler molekularer Interkalationsübergitter ein.

„Die Leistung ist sehr spezifisch für die von uns verwendeten Materialien. Unser nächster Plan ist es, andere mögliche chirale Materialien, 2D-Wirtsmaterialien und Ferromagnete mit weiter verbesserter Leistung zu untersuchen, um praktische Anwendungen zu ermöglichen“, sagte Co-Autor Dr. Qi Qian.