Figur 1. Komponenter av spin tunneling junction med kiral molekylär intercalation supergitter. Kredit:Nature:Nyheter och vyer
Kiralitet beskriver en molekyl som inte kan läggas ovanpå sin egen spegelbild. Två geometriskt olika kirala molekyler med samma formel, särskiljda av R- och S-konfigurationen, uppvisar olika optiska egenskaper. Mer spännande är att ett materialblock tillverkat av samma kirala molekyler kan fungera som en säkerhetsgrind när elektroner svärmar igenom, bara ger tillgång till elektroner med samma spinnidentitet. Det vill säga, elektroner i spin-up-tillstånd kommer att ta sig igenom de kirala molekylerna som gynnar spin-up-tillstånd, medan elektroner i spin-down-tillstånd kommer att blockeras och avböjas, eller vice versa. Denna inneboende filtreringseffekt känd som kiral-inducerad spinselektivitet (CISS) är av stort intresse för kvantinformationsbehandling, där information lagras som spinnladdning.
I denna forskning publicerad i Nature , designade forskare i Duans grupp en spinntunnelövergång gjord av kirala molekylära interkalationssupergitter (CMIS), en struktur som tar fram det bästa av CISS.
Unik struktur:Kirala molekylära interkalationssupergitter (CMIS)
En spin tunneling junction är ett spinnfilter som forskare sätter ihop för att utvärdera CISS och prestandan för deras valda kirala material. Grundinställningen inkluderar en metallelektrod för att leda elektricitet, ett ferromagnetiskt material som selektivt kontrollerar den inkommande strömmen till att endast vara i 1 spinnläge:antingen snurra uppåt eller snurra ner. Ett block av kiralt supergitter är inklämt däremellan, av vilken design är forskningsgrunden för många.
Traditionellt är filterstrukturen gjord av självmonterade molekylära skikt, som har kirala molekyler ("dubbarna" i figur 1) spinnbelägger direkt på det ferromagnetiska materialet. Den resulterande kvaliteten försämras till stor del av defekter som kallas pinholes, som låter motsatt spinn glida passera. Pinholes tränger igenom när antalet dubbar ökar, vilket begränsar räckvidden för maximal spinselektivitet.
Med tanke på fallet tar Duans grupp ett innovativt tillvägagångssätt för att göra kirala molekylära intercalation superlattices (CMIS) som filter istället. Till skillnad från den traditionella strukturen är ett supergitter en periodisk struktur av hög ordning gjord av omväxlande lager av flera material. För sin CMIS har teamet antingen en vänsterhänt R-α-metylbensylamin (R-MBA) eller den högerhänta S-α-metylbensylaminen (S-MBA) insatt mellan värdskiktet av tantaldisulfid (TaS2) ark, en syntetisk process känd som interkalering.
"Supergittret fungerar som att stapla legoklossar på varandra för att göra ett flerstegsfilter, den här strukturen tar sin spinselektivitet till nästa nivå", sa medförfattaren Dr Huaying Ren. "Den minimerar avsevärt pinholes genom 2D-skyddslagret."
Figur 2. Magnetfältsberoende tunnelström mätt i a) R-MBA/H-TaS2 och b) S-MBA/H-TaS2 . Kredit:Nature:Nyheter och vyer
Utvärdering av filtreringseffekt
En sådan enhet skapar en aldrig tidigare skådad plot av ström kontra magnetfält som markerar brottet i elektronfiltreringsgränsen (Figur 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. + Utforska vidare
