Chiraliteit beschrijft een molecuul dat niet op zijn eigen spiegelbeeld kan worden gelegd. Twee geometrisch verschillende chirale moleculen met dezelfde formule, onderscheiden door de R- en S-configuratie, vertonen verschillende optische eigenschappen. Meer intrigerend is dat een materiaalblok gemaakt van dezelfde chirale moleculen kan functioneren als een beveiligingspoort wanneer elektronen doorzwemmen, en alleen toegang geeft tot elektronen met dezelfde spin-identiteit. Dat wil zeggen, elektronen in opwaartse toestand zullen hun weg vinden door de chirale moleculen die de voorkeur geven aan opwaartse toestand, terwijl elektronen in de opwaartse toestand geblokkeerd en afgebogen zullen worden, of omgekeerd. Dit intrinsieke filtereffect dat bekend staat als chiraal-geïnduceerde spinselectiviteit (CISS) is van groot belang voor de verwerking van kwantuminformatie, waarbij informatie wordt opgeslagen als spinlading.

In dit onderzoek gepubliceerd in Nature , ontwierpen onderzoekers in de groep van Duan een spin-tunneling-junctie gemaakt van chirale moleculaire intercalatie superroosters (CMIS), een structuur die het beste van CISS naar boven haalt.

Unieke structuur:chirale moleculaire intercalatie superroosters (CMIS)

Een spin-tunneling-junctie is een spin-filter dat onderzoekers samenstellen om CISS en de prestaties van hun gekozen chirale materiaal te evalueren. De basisopstelling omvat een metalen elektrode om elektriciteit te geleiden, een ferromagnetisch materiaal dat selectief de binnenkomende stroom regelt om slechts in 1 spin-toestand te zijn:ofwel spin-up of spin-down. Er zit een blok chiraal superrooster tussen, waarvan het ontwerp voor velen de onderzoeksgrond is.

Traditioneel wordt de filterstructuur gemaakt van zelf-geassembleerde moleculaire lagen, die chirale moleculen (de "noppen" in figuur 1) direct op het ferromagnetische materiaal spincoaten. De resulterende kwaliteit wordt grotendeels verslechterd door defecten die bekend staan ​​​​als pinholes, die de tegenovergestelde spin laten passeren. Pinholes dringen door naarmate het aantal noppen toeneemt, wat het bereik van maximale spinselectiviteit beperkt.

Gezien het geval kiest de groep van Duan voor een innovatieve benadering om in plaats daarvan chirale moleculaire intercalatie-superroosters (CMIS) als filter te maken. Anders dan de traditionele structuur, is een superrooster een hoogwaardige, periodieke structuur gemaakt van afwisselende lagen van meerdere materialen. Voor hun CMIS heeft het team ofwel een linkshandige R-α-methylbenzylamine (R-MBA) of de rechtshandige S-α-methylbenzylamine (S-MBA) ingebracht tussen de gastheerlaag van tantaaldisulfide (TaS2) vel, een synthetisch proces dat intercalatie wordt genoemd.

"Het superrooster werkt als legostenen op elkaar stapelen om een ​​meertrapsfilter te maken. Deze structuur brengt de spin-selectiviteit naar een hoger niveau", zegt co-auteur Dr. Huaying Ren. "Het minimaliseert gaatjes door de 2D-beschermingslaag aanzienlijk."

Evaluatie van filtereffect

Zo'n apparaat creëert een ongekende grafiek van stroom versus magnetisch veld die de breuk in de elektronenfilterlimiet markeert (Figuur 2).

In Figure 2a, the superlattice is made of chiral molecule R-MBA intercalated into H- phase TaS₂ . During the field sweep scan, when the magnetic field is greater than the coercive field of the Cr₃ Te₄ , the out-of-plane ferromagnetic ordering in Cr₃ Te₄ switches abruptly, causing an abrupt change of the spin polarization and, thus, an abrupt change in the tunneling probability through the CMIS, resulting two extreme current states. Similar but opposite behavior is also observed when S-MBA chiral molecule was used as the chiral molecule.

By calculating the spin polarization ratio, the ratio between the two extreme currents and a key criteria to evaluate the performance of the device, 63% is reached. Considering the traditional approach can only reach a ratio of single digit, the current work is remarkably among the highest spin selectivity achieved.

This exciting experimental result invites more investigation in the application of chiral molecular intercalation superlattices.

"The performance is highly specific to the materials we used, our next plan is to explore other possible chiral materials, 2D host material, and ferromagnet with further improved performance to enable practical applications," co-author Dr. Qi Qian said. + Verder verkennen

Inducing and tuning spin interactions in layered material by inserting iron atoms, protons