Att kontrollera elektronernas spinn öppnar för framtidsscenarier för tillämpningar inom spinnbaserad elektronik (spintronik), till exempel inom databehandling. Det ger också nya möjligheter att kontrollera kemiska reaktioners selektivitet och effektivitet. Forskare presenterade nyligen de första framgångarna med exemplet med vattendelning för att producera "grönt" väte och syre. Ett gemensamt projekt som involverar arbetsgrupper från Center for Soft Nanoscience vid University of Münster (Tyskland) och från Institute of Chemistry vid University of Pittsburgh (Pennsylvania; Prof. David Waldeck) har nu till uppgift att främja den systematiska utvecklingen av spinn. -selektiva katalysatormaterial.

För detta ändamål relaterar forskarna den katalytiska aktiviteten hos olika oorganiska spinnpolariserande material till direkta mätningar av spinnselektiviteten. Fokus ligger på oxidmaterial som avsiktligt odlats med en kiral struktur. Dessutom vill forskarna också undersöka ursprunget till spinpolarisering i dessa kirala material. Resultaten av en första studie av kirala kopparoxidskikt har nu publicerats i ACS Nano journal.

Resultaten i korthet

Teamet av tyska och amerikanska forskare undersökte först kirala oxidkatalysatorer - som i detta fall bestod av tunna, kirala kopparoxidskikt på en tunn film av guld. Uppmätta data visar att spinpolariseringen av elektronerna beror på vilket av dessa lager elektronerna kommer ifrån. Teamet anser att två effekter är ansvariga för detta:effekten av kiralitetsinducerad spinselektivitet (CISS) och det magnetiska arrangemanget i de kirala lagren. Resultaten är att hjälpa till i den framtida produktionen av spin-selektiva katalytiska oxidmaterial, och på så sätt förbättra effektiviteten av kemiska reaktioner.

Exemplet med bränsleceller:oönskat elektronspin minskar effektiviteten

I bränsleceller reagerar väte och syre med varandra och bildar vatten, varvid elektrisk energi frigörs i processen. Vätgas kan tidigare ha producerats genom den omvända processen, som bryter ner vattenmolekyler till väte och syre. Den energi som krävs för detta kan tillhandahållas genom elektrisk kraft från regenerativa energikällor eller direkt genom solljus, så att väte i framtiden skulle kunna fungera som en energikälla i en energicykel utformad för att vara CO₂ -neutral.

Det som håller tillbaka en storskalig kommersialisering av konceptet – till exempel i elfordon som körs på bränsleceller – är bland annat den låga verkningsgraden. Mycket energi måste användas för att bryta ner vattenmolekylerna, vilket gör att det i dagsläget är billigare att använda denna energi direkt för att ladda ett bilbatteri. Denna lägre effektivitet i att bryta ned vattenmolekyler är en konsekvens inte bara av den höga överspänning som behövs för att utveckla syre vid elektrolyscellens anod, utan också av produktionen av oönskade biprodukter såsom väteperoxid och elektroniskt exciterat syre. På grund av sin höga reaktivitet kan dessa biprodukter även angripa elektrodmaterialet. Båda biprodukterna förekommer i ett så kallat singletttillstånd, där spinnen av elektronerna som är involverade i molekylbindningarna är inriktade i antiparallellt läge mot varandra. I den produkt som önskas från reaktionen – syre i det elektroniska grundtillståndet – är detta inte fallet eftersom det bildar ett tripletttillstånd med parallella spinn, och att generera endast en spinnriktning hjälper till att nå detta önskade syretillstånd.

Nytt tillvägagångssätt:Oxidkatalysator producerar det önskade elektronspinnet

Detta är ett nytt tillvägagångssätt eftersom det innebär att spinn av radikalerna som adsorberas på ytorna av katalysatorerna, från vilka biprodukterna bildas, riktas parallellt. En sådan parallell inriktning av elektronsnurren kan uppnås genom att använda ett kiralt material. I detta fall kan överföringen av elektroner genom elektroderna som en konsekvens av CISS-effekten, eller genom den strukturella förändringen i oxiden, vara spinnselektiv. Som en följd av detta undertrycks bildningen av molekyler i det oönskade singletttillståndet och väteutbytet ökar.

Medan forskare framgångsrikt demonstrerade den spin-selektiva katalysen, finns det fortfarande ingen fullständig förståelse för ursprunget till CISS-effekten. Den spin-selektiva överföringen av elektroner genom spiralformade - och därför också kirala - molekyler har visats. Nyare studier visar dock att spinnselektiv transmission även förekommer i oorganiska, icke-molekylära kirala material. 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. + Utforska vidare

Kiralitet och kiral-inducerad spinnselektivitet