Onderzoekers van de North Carolina State University en de Universiteit van Pittsburgh bestudeerden hoe de spininformatie van een elektron, een pure spinstroom genoemd, door chirale materialen beweegt. Ze ontdekten dat de richting waarin de spins in chirale materialen worden geïnjecteerd, hun vermogen om er doorheen te gaan beïnvloedt. Deze chirale ‘gateways’ zouden kunnen worden gebruikt om energiezuinige spintronische apparaten te ontwerpen voor gegevensopslag, communicatie en computergebruik.

Spintronische apparaten maken gebruik van de spin van een elektron, in plaats van van zijn lading, om stroom te creëren en informatie door elektronische apparaten te verplaatsen.

"Een van de doelen van de spintronica is om spin-informatie door een materiaal te verplaatsen zonder ook de bijbehorende lading te hoeven verplaatsen, omdat het verplaatsen van de lading meer energie kost. Daarom worden je telefoon en computer heet als je ze lange tijd gebruikt", zegt hij. zegt David Waldeck, hoogleraar scheikunde aan Pitt's Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences en mede-corresponderende auteur van het werk.

Chirale vaste stoffen zijn materialen die niet over hun spiegelbeeld heen kunnen worden gelegd, denk bijvoorbeeld aan uw linker- en rechterhand. Een linkshandige handschoen past niet op uw rechterhand, en omgekeerd. Chiraliteit in spintronische materialen stelt onderzoekers in staat de draairichting binnen het materiaal te controleren.

‘Vóór dit werk dacht men dat het gevoel van chiraliteit, of ‘handigheid’, van een materiaal erg belangrijk was voor hoe en of de spin door dat materiaal zou bewegen”, zegt Dali Sun, universitair hoofddocent natuurkunde, lid van het Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) aan de North Carolina State University en co-corresponderende auteur van het werk.

‘En als je het hele elektron door het materiaal beweegt, is dat nog steeds waar. Maar we ontdekten dat als je pure spin in een chiraal materiaal injecteert, de absorptie van spinstroom sterk afhangt van de hoek tussen de spinpolarisatie en de chirale as; met andere woorden, of de spinpolarisatie parallel of loodrecht op de chirale as is uitgelijnd."

"We gebruikten twee verschillende benaderingen, excitatie van microgolfdeeltjes en ultrasnelle laserverwarming, om pure spin in de geselecteerde chirale materialen in deze studie te injecteren, en beide benaderingen brachten ons tot dezelfde conclusie", zegt Jun Liu, universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek. lid van ORaCEL bij NC State en co-corresponderende auteur van het werk.

"De chirale materialen die we hebben gekozen zijn twee chirale dunne films van kobaltoxide, elk met een andere chiraliteit, of 'handigheid'", zegt Liu. "Niet-chirale dunne films van kobaltoxide worden vaak gebruikt in moderne elektronica."

Toen het team pure spin injecteerde, loodrecht op de chirale as van het materiaal, merkten ze op dat de spin niet door het materiaal ging. Wanneer de pure spin echter parallel of anti-parallel aan de chirale as werd uitgelijnd, verbeterde de absorptie, of het vermogen om door het materiaal te gaan, met 3000%.

"Aangezien spin slechts in één richting door deze chirale materialen kan gaan, zou dit ons in staat kunnen stellen chirale gateways te ontwerpen voor gebruik in elektronische apparaten", zegt Sun. "En dit werk daagt ook een deel uit van wat we dachten te weten over chirale materialen en spin, iets dat we verder willen onderzoeken."

Het werk verschijnt in Science Advances . NC State postdoctoraal onderzoeker Rui Sun, NC State afgestudeerde student Ziqi Wang en University of Pittsburgh Research Assistant Professor Brian Bloom zijn co-eerste auteurs.

Meer informatie: Rui Sun et al, Kolossale anisotrope absorptie van spinstromen geïnduceerd door chiraliteit, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adn3240

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door North Carolina State University