Рис. 1. Хиральные молекулы приобретают спин посредством тепловых колебаний и притягиваются к магнитам. Источник: Синдзи Мива / ISSP, Токийский университет.

Известно, что хиральные молекулы, имеющие спиральную структуру, взаимодействуют с магнитами в рамках явления, известного как спиновая селективность, индуцированная хиральностью (CISS). Например, при подключении хиральной молекулы к магниту и подаче электрического тока можно наблюдать эффекты магнитосопротивления. Также сообщалось, что магниты можно использовать для разделения право- и лево-хиральных молекул.

Распространенное объяснение заключается в том, что протекание тока через хиральную молекулу индуцирует магнитные свойства, подобные свойствам электромагнита. Однако это объяснение имеет ограничения, поскольку не полностью учитывает значительные эффекты магнитосопротивления или явления CISS, наблюдаемые даже в отсутствие электрического тока.

Рис. 2. (а) Схема экспериментальной установки. (b) Типичные результаты измерений магнитопроводимости. Рабочий электрод имел площадь поверхности 0,5 мм². 2 Серые и зелёные стрелки на рисунке обозначают спиновый угловой момент (S) и его производную по времени (dS/dt ) соответственно. (c) Отношение MC как функция толщины Au-спейсера. (d) Схематические диаграммы вычислительной модели для отображения спиновой плотности. Жёлтый цвет указывает направление вверх, голубой — вниз. Автор: Синдзи Мива / ISSP, Токийский университет.

Учёные разработали специализированную электрохимическую ячейку с использованием технологии спинтроники. Изменяя толщину золотой плёнки и анализируя изменение тока, были обнаружены осцилляционные изменения величины и знака (рис. 2c). Эти результаты указывают на наличие межслоевой обменной связи между хиральными молекулами и магнитом.

Чтобы понять механизм этой связи, необходимо определить, как хиральные молекулы приобретают магнитные свойства в отсутствие электрического тока. Было обнаружено, что колебательное движение в хиральных молекулах приводит к возникновению спина, зависящего исключительно от хиральности, независимо от направления магнитного поля. На рис. 2d представлены теоретические результаты расчётов из первых принципов.

Данное исследование экспериментально демонстрирует, что явление CISS возникает в результате межслоевого обменного взаимодействия. Более того, оно показывает, что хиральные молекулы могут приобретать спин и проявлять магнитные свойства посредством молекулярных колебаний без необходимости приложения электрического тока. Поскольку этот механизм не зависит от электрического тока , он может повсеместно проявляться в самых разных средах, включая химические реакции и биологические процессы.