En studie publicerad i Naturkommunikation som involverar forskare från Madrid Institute for Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA) och University of Sevilla har för första gången mätt den elektriska ledningsförmågan hos ett enda kolnanorör med spinntvärbundna molekyler inuti det.

När elektroniska enheter fortsätter att krympa för att möta marknadens krav, forskare arbetar med att utveckla de små komponenterna som får dem att fungera. Det finns en ständig efterfrågan på snabba och effektiva processer, och spin-logic (Spintronics) enheter kan vara lösningen för att forma framtiden för datoranvändning. Här, magnetiska molekyler kan lägga till en ny twist till konventionell elektronik. Särskilt, spin-crossover (SCO) molekyler följer en familj av nolldimensionella (0D) funktionella enheter som visar en radikal spin-omkopplare utlöst av en elektrostrukturell förändring som kan aktiveras av extern stimulans som ljus, tryck eller temperatur. Spinomkopplaren ger SCO-molekyler utmärkta möjligheter och funktionaliteter för implementering i nanoelektronik. Dock, deras isolerande karaktär hindrar dessa molekyler från att utnyttjas fullt ut än så länge. Flera grupper har bäddat in SCO-molekyler i matriser av ledande material men resultaten är inte helt förenliga med kraven på nanoskala enheter.

Ett banbrytande system för att effektivt införliva SCO-molekyler i ledande material är att introducera dem inuti ledande kolnanorör. Kolnanorör är endimensionella (1D) material, stark, lätt och, viktigast, starkt elektriskt ledande miniatyrledningar, typiskt 1-5 nanometer i diameter, men upp till centimeter långa. För första gången, en grupp forskare vid IMDEA Nanociencia har kapslat in Fe-baserade SCO-molekyler inuti kolnanorör. De enkelväggiga kolnanorören fungerar som ledande ryggrad som bär, skydda och känna av SCO-spintillståndet för molekylerna, och övervinner deras isolerande nackdelar.

Forskarna, ledd av prof. Emilio M. Pérez, Dr José Sanchez Costa och Dr Enrique Burzurí, studerade elektrontransporten genom enskilda kolnanorör inbäddade i transistorer i nanoskala genom dielektrofores. De hittade en förändring i nanorörets elektriska konduktans som modifieras av spinntillståndet hos de inkapslade SCO-molekylerna. Övergången mellan de två ledande tillstånden utlöses av en termisk omkopplare som visar sig inte vara symmetrisk:övergångstemperaturpunkten är inte samma som nedåt än uppåt termometern. Detta faktum öppnar en hysteres som inte finns i kristallina prover, och många intressanta potentiella tillämpningar för hybridsystemet uppstår:"Dessa system är som miniminneselement på nanoskala, eftersom de presenterar en hysterescykel med temperaturvariation. De kan också fungera som ett spinnfilter (en efterfrågan på spintroniska enheter) eftersom nanoröret "känns" om molekylen har spin eller inte", kommenterar Dr. Burzurí.

De experimentella resultaten stöds av teoriberäkningar av forskare vid Universidad de Sevilla. Under bytet, SCO-molekylernas orbitaler förändras och därav deras hybridisering med kolnanoröret, som i sin tur modifierar den senares elektriska ledningsförmåga. SCO-molekylerna i sitt låga spinntillstånd har en starkare interaktion med nanorören; det är svårare för dem att ändra sitt spinntillstånd och detta översätts till ett "hopp" i nanorörets ledningsförmåga vid en viss temperatur, beroende på det initiala spinntillståndet.

Denna första inkapsling av SCO-molekyler inuti enkelväggiga kolnanorör är ett grundläggande forskningsresultat som hjälper till att förstå beteendet hos dessa molekyler när de är instängda i mycket små utrymmen, och ger en ryggrad för deras avläsning och positionering i nanoenheter. Författarna hoppas att en sådan blandningsdimensionell (0D-1D) hybrid kan utnyttja de bästa egenskaperna hos deras ingående material, utnyttja spin-tillståndet som en annan grad av frihet. Denna minimala tråd och switch kan produceras i en förberedande skala och kan representera ett relevant steg i utvecklingen av magnetiska system i nanoskala.