Forscher der North Carolina State University und der University of Pittsburgh untersuchten, wie sich die Spininformation eines Elektrons, ein sogenannter reiner Spinstrom, durch chirale Materialien bewegt. Sie fanden heraus, dass die Richtung, in der die Spins in chirale Materialien injiziert werden, deren Fähigkeit, sie zu passieren, beeinflusst. Diese chiralen „Gateways“ könnten zum Entwurf energieeffizienter spintronischer Geräte für die Datenspeicherung, Kommunikation und Datenverarbeitung genutzt werden.
Spintronische Geräte nutzen den Spin eines Elektrons und nicht seine Ladung, um Strom zu erzeugen und Informationen durch elektronische Geräte zu übertragen.
„Eines der Ziele der Spintronik besteht darin, Spininformationen durch ein Material zu bewegen, ohne dass auch die zugehörige Ladung bewegt werden muss, denn das Bewegen der Ladung erfordert mehr Energie – deshalb werden Ihr Telefon und Ihr Computer heiß, wenn Sie sie über einen längeren Zeitraum verwenden.“ sagt David Waldeck, Professor für Chemie an der Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences in Pitt und Mitautor der Arbeit.
Chirale Festkörper sind Materialien, deren Spiegelbild nicht überlagert werden kann – denken Sie zum Beispiel an Ihre linke und rechte Hand. Ein Handschuh für Linkshänder passt nicht auf die rechte Hand und umgekehrt. Chiralität in spintronischen Materialien ermöglicht es Forschern, die Spinrichtung innerhalb des Materials zu steuern.
„Vor dieser Arbeit glaubte man, dass das Gefühl der Chiralität oder ‚Händigkeit‘ eines Materials sehr wichtig dafür sei, wie und ob sich der Spin durch dieses Material bewegen würde“, sagt Dali Sun, außerordentlicher Professor für Physik und Mitglied von das Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) an der North Carolina State University und Mitautor der Arbeit.
„Und wenn man das gesamte Elektron durch das Material bewegt, ist das immer noch wahr. Aber wir haben herausgefunden, dass, wenn man einem chiralen Material reinen Spin injiziert, die Absorption des Spinstroms stark vom Winkel zwischen der Spinpolarisation und der chiralen Achse abhängt; mit anderen Worten, ob die Spinpolarisation parallel oder senkrecht zur chiralen Achse ausgerichtet ist.“
„Wir haben in dieser Studie zwei unterschiedliche Ansätze verwendet, Mikrowellenteilchenanregung und ultraschnelle Lasererwärmung, um reinen Spin in die ausgewählten chiralen Materialien zu injizieren, und beide Ansätze führten zu derselben Schlussfolgerung“, sagt Jun Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. Mitglied von ORaCEL an der NC State und Mitautor der Arbeit.
„Die chiralen Materialien, die wir ausgewählt haben, sind zwei chirale Kobaltoxid-Dünnfilme mit jeweils unterschiedlicher Chiralität oder ‚Händigkeit‘“, sagt Liu. „In der modernen Elektronik werden häufig nicht-chirale Kobaltoxid-Dünnfilme verwendet.“
Als das Team reinen Spin einspeiste, der senkrecht zur chiralen Achse des Materials ausgerichtet war, stellten sie fest, dass der Spin nicht durch das Material wanderte. Wenn der reine Spin jedoch entweder parallel oder antiparallel zur chiralen Achse ausgerichtet war, verbesserte sich seine Absorption bzw. Fähigkeit, durch das Material zu dringen, um 3000 %.
„Da der Spin diese chiralen Materialien nur in einer Richtung passieren kann, könnte uns dies ermöglichen, chirale Gateways für den Einsatz in elektronischen Geräten zu entwerfen“, sagt Sun. „Und diese Arbeit stellt auch einiges von dem in Frage, was wir über chirale Materialien und Spin zu wissen glaubten, was wir weiter erforschen wollen.“
Das Werk erscheint in Wissenschaftliche Fortschritte. Rui Sun, Postdoktorand am NC State, Ziqi Wang, Doktorand am NC State, und Brian Bloom, Forschungsassistent an der University of Pittsburgh, sind Co-Erstautoren.
Mehr Informationen:
Rui Sun et al., Kolossale anisotrope Absorption von durch Chiralität induzierten Spinströmen, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn3240