Il controllo dello spin degli elettroni apre scenari futuri per applicazioni nell'elettronica basata sullo spin (spintronica), ad esempio nell'elaborazione dei dati. Presenta inoltre nuove opportunità per controllare la selettività e l'efficienza delle reazioni chimiche. I ricercatori hanno recentemente presentato i primi successi con l'esempio della scissione dell'acqua per la produzione di idrogeno e ossigeno "verdi". Un progetto congiunto che coinvolge gruppi di lavoro del Center for Soft Nanoscience dell'Università di Münster (Germania) e dell'Institute of Chemistry dell'Università di Pittsburgh (Pennsylvania; Prof. David Waldeck) ha ora il compito di far avanzare lo sviluppo sistematico dello spin -materiali catalizzatori selettivi.

A tal fine, i ricercatori mettono in relazione l'attività catalitica di vari materiali inorganici di polarizzazione dello spin con misurazioni dirette della selettività dello spin. L'attenzione si concentra sui materiali di ossido che sono stati appositamente coltivati ​​con una struttura chirale. Inoltre, i ricercatori vogliono anche studiare l'origine della polarizzazione dello spin in questi materiali chirali. I risultati di uno studio iniziale sugli strati chirali di ossido di rame sono stati ora pubblicati su ACS Nano diario.

I risultati in breve

Il team di ricercatori tedeschi e americani ha prima esaminato i catalizzatori di ossido chirale, costituiti in questo caso da sottili strati chirali di ossido di rame su una sottile pellicola d'oro. I dati misurati mostrano che la polarizzazione di spin degli elettroni dipende da quale di questi strati provengono gli elettroni. Il team considera due effetti responsabili di ciò:l'effetto di selettività dello spin indotto dalla chiralità (CISS) e la disposizione magnetica negli strati chirali. I risultati aiuteranno nella futura produzione di materiali a base di ossido catalitico spin-selettivo, migliorando così l'efficienza delle reazioni chimiche.

L'esempio delle celle a combustibile:lo spin indesiderato degli elettroni riduce l'efficienza

Nelle celle a combustibile, l'idrogeno e l'ossigeno reagiscono tra loro e formano acqua, con il rilascio di energia elettrica nel processo. L'idrogeno potrebbe essere stato precedentemente prodotto attraverso il processo inverso, scomponendo le molecole d'acqua in idrogeno e ossigeno. L'energia necessaria per questo può essere fornita attraverso l'energia elettrica da fonti di energia rigenerativa o direttamente attraverso la luce solare, in modo che, in futuro, l'idrogeno possa fungere da fonte di energia in un ciclo energetico progettato per essere CO₂ -neutro.

Ciò che frena qualsiasi commercializzazione su larga scala del concetto, ad esempio nei veicoli elettrici alimentati a celle a combustibile, è, tra le altre cose, la bassa efficienza. È necessario utilizzare molta energia per abbattere le molecole d'acqua, il che significa che attualmente è meno costoso utilizzare questa energia direttamente per ricaricare la batteria di un'auto. Questa minore efficienza nella scomposizione delle molecole d'acqua è una conseguenza non solo dell'elevata sovratensione necessaria per lo sviluppo di ossigeno all'anodo della cella di elettrolisi, ma anche della produzione di sottoprodotti indesiderati come il perossido di idrogeno e l'ossigeno eccitato elettronicamente. A causa della loro elevata reattività, questi sottoprodotti possono anche attaccare il materiale dell'elettrodo. Entrambi i sottoprodotti si verificano in un cosiddetto stato di singoletto, in cui gli spin degli elettroni coinvolti nei legami molecolari sono allineati in modo antiparallelo tra loro. Nel prodotto voluto dalla reazione - ossigeno allo stato fondamentale elettronico - questo non è il caso perché forma uno stato di tripletta con spin allineati in parallelo, e quindi generare solo una direzione di rotazione aiuta ad arrivare a questo stato desiderato di ossigeno.

Nuovo approccio:il catalizzatore di ossido produce lo spin dell'elettrone desiderato

Questo è un approccio nuovo perché prevede che gli spin dei radicali adsorbiti sulle superfici dei catalizzatori, da cui si formano i sottoprodotti, siano allineati in parallelo. Un tale allineamento parallelo degli spin degli elettroni può essere ottenuto utilizzando un materiale chirale. In questo caso, il trasferimento di elettroni attraverso gli elettrodi come conseguenza dell'effetto CISS, o attraverso il cambiamento strutturale dell'ossido, può essere spin-selettivo. Di conseguenza, viene soppressa la formazione di molecole nello stato di singoletto indesiderato e viene aumentata la resa di idrogeno.

Sebbene i ricercatori abbiano dimostrato con successo la catalisi spin-selection, non c'è ancora una comprensione completa dell'origine dell'effetto CISS. È stata dimostrata la trasmissione selettiva per spin di elettroni attraverso molecole elicoidali e, quindi, anche chirali. However, more recent studies show that spin-selective transmission also occurs in inorganic, non-molecular chiral materials. Inorganic, spin-filtering surfaces are more stable, chemically, than chiral molecular layers and permit greater current densities in the context of spin-selective catalysis.

The current study in detail

In the study now published, lead author Paul Möllers, a Ph.D. student at Münster University, examined chiral copper oxide films with a thickness of just a few nanometers which had previously been electrochemically deposited in a chiral form onto thin gold substrates by researchers from Pittsburgh. UV laser pulses were used to stimulate photoelectrons from the samples and their mean spin polarization was measured (in a spin polarimeter based on "Mott scattering"). Depending on whether the samples were hit from the oxide-covered front side or from the reverse side, in the process electrons with different energies were emitted from the gold substrate or from the oxide films themselves, in different proportions. By correlating the energy distribution with the spin polarization values measured, the Münster researchers showed that the electrons from both layers are polarized to different extents.

The electrons from the gold substrate are filtered, as regards their spin, by the CISS effect as they pass through the chiral layer. The electrons from the chiral copper oxide display an opposite spin polarization, and in the case of films with a thickness of more than 40 nanometers, there is a preponderance of these copper oxide electrons. Additional measurements carried out by the working group led by Prof. Heiko Wende at the Department of Physics at the University of Duisburg-Essen suggest that this reflects a magnetic arrangement in the chiral layers which is not observed in non-chiral oxide films with the same composition.

In order to follow up this hypothesis, the experimental set-up in Münster will be extended by having the possibility of measuring the spin polarization in electrons depending directly on their energy. Further measurements on chiral copper and cobalt oxide films will enable not only a clear differentiation to be made between both polarization mechanisms, but also chiral inorganic spin-selective catalyst materials to be designed specifically. + Esplora ulteriormente

Chirality and chiral-induced spin selectivity