Figura 1. Componenti della giunzione di tunneling di spin con superreticolo di intercalazione molecolare chirale. Credito:Natura:notizie e opinioni
La chiralità descrive una molecola che non può essere sovrapposta alla propria immagine speculare. Due molecole chirali geometricamente diverse della stessa formula, distinte per la configurazione R e S, mostrano proprietà ottiche diverse. Più intrigante, un blocco di materiale costituito dalle stesse molecole chirali può funzionare come un cancello di sicurezza quando gli elettroni sciamano attraverso, garantendo l'accesso solo agli elettroni con la stessa identità di spin. Cioè, gli elettroni nello stato di spin up si faranno strada attraverso le molecole chirali che favoriscono lo stato di spin up, mentre gli elettroni nello stato di spin down verranno bloccati e deviati, o viceversa. Questo effetto di filtraggio intrinseco noto come selettività di spin indotta da chirale (CISS) è di grande interesse per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, in cui le informazioni vengono memorizzate come carica di spin.
In questa ricerca pubblicata su Natura , i ricercatori del gruppo di Duan hanno progettato una giunzione di spin tunneling fatta di superreticoli di intercalazione molecolare chirale (CMIS), una struttura che mette in risalto il meglio del CISS.
Struttura unica:superreticoli di intercalazione molecolare chirale (CMIS)
Una giunzione a tunnel di spin è un filtro di spin che i ricercatori assemblano per valutare il CISS e le prestazioni del materiale chirale scelto. La configurazione di base include un elettrodo metallico per condurre l'elettricità, un materiale ferromagnetico che controlla selettivamente la corrente in ingresso in modo che sia solo in 1 stato di rotazione:spin up o spin down. Un blocco di superreticolo chirale è inserito nel mezzo, di ciò che il design è il terreno di ricerca per molti.
Tradizionalmente, la struttura del filtro è costituita da strati molecolari autoassemblati, che hanno molecole chirali (le "borchie" nella figura 1) spin coat direttamente sul materiale ferromagnetico. La qualità risultante è in gran parte degradata da difetti noti come fori di spillo, che lasciano passare lo slittamento di rotazione opposto. I fori di spillo permeano all'aumentare del numero di perni, il che limita la portata della massima selettività di rotazione.
Dato il caso, il gruppo di Duan adotta un approccio innovativo per realizzare invece i superreticoli di intercalazione molecolare chirale (CMIS) come filtro. Diversamente dalla struttura tradizionale, un superreticolo è una struttura periodica di ordine elevato composta da strati alternati di più materiali. Per il loro CMIS, il team ha una R-α-metilbenzilammina (R-MBA) per mancini o la S-α-metilbenzilammina (S-MBA) per mancini inseriti tra lo strato ospite del foglio di disolfuro di tantalio (TaS2), un processo sintetico noto come intercalazione.
"Il superreticolo funziona come impilare i mattoncini lego l'uno sull'altro per creare un filtro a più stadi, questa struttura porta la sua selettività di rotazione al livello successivo", ha detto il coautore Dr. Huaying Ren. "Riduce notevolmente i fori di spillo attraverso lo strato di protezione 2D."
Figura 2. Corrente di tunneling dipendente dal campo magnetico misurata in a) R-MBA/H-TaS2 e b) S-MBA/H-TaS2 . Credito:Natura:notizie e opinioni
Valutazione dell'effetto di filtraggio
Un tale dispositivo crea un diagramma senza precedenti della corrente rispetto al campo magnetico che segna la rottura del limite di filtraggio degli elettroni (Figura 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. + Esplora ulteriormente
