Хиральность и хирально-индуцированная спиновая селективность
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные из группы Дуана разработали спиновой туннельный переход, состоящий из сверхрешеток хиральной молекулярной интеркаляции (CMIS), структура, которая демонстрирует лучшее из хирально-индуцированной спиновой селективности (CISS).
Рис. 1. Компоненты спинового туннельного перехода со сверхрешеткой хиральной молекулярной интеркаляции. Предоставлено: Природа: новости и взгляды
Хиральность описывает молекулу, которая не может быть наложена на собственное зеркальное отражение. Две геометрически разные хиральные молекулы одной и той же формулы, отличающиеся R- и S-конфигурацией, проявляют разные оптические свойства. Еще более интригующе то, что материальный блок, состоящий из тех же хиральных молекул, может функционировать как ворота безопасности, когда через него пролетают электроны, предоставляя доступ только электронам с таким же спином. То есть электроны в состоянии со спином вверх будут проходить через хиральные молекулы, что способствует состоянию со спином вверх, в то время как электроны в состоянии со спином вниз будут блокироваться и отклоняться, или наоборот. Этот внутренний эффект фильтрации, известный как хирально-индуцированная спиновая селективность (CISS), представляет большой интерес для квантовой обработки информации, где информация хранится в виде спинового заряда.
В этом исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные из группы Дуана разработали спиновой туннельный переход, состоящий из сверхрешеток хиральной молекулярной интеркаляции (CMIS), структура, которая демонстрирует лучшее из CISS.
Уникальная структура: хиральные сверхрешетки молекулярной интеркаляции (CMIS)
Спиновое туннельное соединение — это спиновой фильтр, который исследователи собирают для оценки СНПЧ и характеристик выбранного ими хирального материала. Базовая установка включает в себя металлический электрод для проведения электричества, ферромагнитный материал, который выборочно контролирует входящий ток, чтобы он находился только в одном состоянии вращения: либо вращение вверх, либо вращение вниз. Между ними зажат блок киральной сверхрешетки, конструкция которого является исследовательской площадкой для многих.
Традиционно структура фильтра изготавливается из самособирающихся молекулярных слоев, которые имеют хиральные молекулы («шпильки» на рис. 1), наносимые методом центрифугирования непосредственно на ферромагнитный материал. Полученное качество в значительной степени ухудшается из-за дефектов, известных как точечные отверстия, которые пропускают проскальзывание противоположного спина. Отверстия проникают по мере увеличения количества шпилек, что ограничивает достижение максимальной избирательности вращения.
В этом случае группа Дуана использует инновационный подход, чтобы вместо этого использовать хиральные сверхрешетки молекулярной интеркаляции (CMIS) в качестве фильтра. В отличие от традиционной структуры, сверхрешетка представляет собой периодическую структуру высокого порядка, состоящую из чередующихся слоев нескольких материалов. Для их CMIS у команды есть либо левосторонний R-α-метилбензиламин (R-MBA), либо правосторонний S-α-метилбензиламин (S-MBA), вставленный между основным слоем листа дисульфида тантала (TaS2), синтетический процесс, известный как интеркаляция.
«Сверхрешетка работает так же, как укладывая друг на друга кубики лего для создания многоступенчатого фильтра, эта структура выводит спиновую селективность на новый уровень», — сказал соавтор доктор Хуайинг Рен. «Это значительно минимизирует точечные отверстия через защитный слой 2D».
Рисунок 2. Туннельный ток, зависящий от магнитного поля, измеренный в a) R-MBA/H-TaS 2 и b) S-MBA/H-TaS 2 . Предоставлено: Природа: новости и взгляды
Оценка эффекта фильтрации
Такое устройство создает беспрецедентный график зависимости тока от магнитного поля, который отмечает нарушение предела фильтрации электронов (рис. 2).
На рис. 2а сверхрешетка состоит из хиральной молекулы R-MBA, интеркалированной в H-фазу TaS 2 . Во время развертки поля, когда магнитное поле превышает коэрцитивное поле Cr 3 Te 4 , внеплоскостное ферромагнитное упорядочение в Cr 3 Te 4 резко переключается, вызывая резкое изменение спиновой поляризации и, таким образом, резкое изменение вероятности туннелирования через CMIS, приводящее к двум экстремальным текущим состояниям. Аналогичное, но противоположное поведение наблюдается и при использовании хиральной молекулы S-MBA в качестве хиральной молекулы.
Путем расчета коэффициента спиновой поляризации, отношения между двумя экстремальными токами и ключевого критерия для оценки производительности устройства, достигается 63%. Учитывая, что при традиционном подходе можно достичь только однозначного отношения, текущая работа является одной из самых высоких достигнутых спин-селективности.
Этот захватывающий экспериментальный результат побуждает к дальнейшим исследованиям в области применения сверхрешеток с хиральной молекулярной интеркаляцией.
«Производительность очень специфична для материалов, которые мы использовали, наш следующий план — изучить другие возможные хиральные материалы, 2D-основной материал и ферромагнетик с дальнейшим улучшением характеристик для обеспечения практических применений», — сказал соавтор доктор Ци Цянь.
