В молекулярных системах с хиральной структурой обнаружен уникальный эффект — так называемая селективность спина, индуцированная хиральностью (CISS). Это явление заключается в том, что электроны, проходя через такие молекулы, приобретают значительную поляризацию спина, несмотря на отсутствие тяжелых элементов, традиционно ассоциируемых с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Основой CISS служит нетривиальная связь между движением электрона и его спином, которую ранее было крайне сложно количественно оценить.
Новое исследование, выполненное в Институте молекулярной науки (IMS) и SOKENDAI и опубликованное в журнале Physical Review Research, сфокусировано на двухмерном органическом сверхпроводнике κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂ (κ-NCS). Это соединение сочетает хиральную кристаллическую структуру, органическую природу (преимущественно легкие элементы) и уже подтвержденный CISS-эффект. Для детального изучения был создан тонкопленочный прибор на основе κ-NCS, в котором исследовалась неравномерность транспорта заряда.
В результате экспериментов в сверхпроводящем состоянии κ-NCS зафиксирован гигантский неравномерный ток — эффект, когда сопротивление и критический ток зависят от направления протекания тока. Масштаб неравномерности во много раз превосходит аналогичные показатели, наблюдаемые в неорганических полярных сверхпроводниках, где для усиления эффекта обычно используют тяжелые элементы. В случае κ-NCS рекордные значения получены исключительно за счет хиральности структуры и легких элементов, что указывает на резкое усиление связи между током заряда и спином под действием хиральности. Одним из возможных механизмов называют появление смешанных спин-триплетных куперовских пар.
Анализ показал, что стандартная теория спин-орбитального взаимодействия не способна объяснить столь высокую степень неравномерности, исходя только из известных параметров полосы проводимости. Для описания наблюдений требуется предполагаемое эффективное спин-орбитальное взаимодействие, превышающее обычные для органических соединений значения, а также наличие компоненты спин-триплетных пар в сверхпроводящем состоянии.
Впервые для органических материалов была показана сверхпроводящая диодная функция с эффективностью до 5%. Для сравнения, в неорганических полярных сверхпроводниках ранее сообщалось о значениях порядка 6%. Таким образом, органический хиральный сверхпроводник догоняет и даже превосходит по неравномерности своих неорганических собратьев, несмотря на отсутствие тяжелых атомов.
Ключевым выводом стало то, что неординарное взаимодействие между током и спином, инициированное хиральностью, выполняет роль эффективного спин-орбитального взаимодействия в сверхпроводящем состоянии. Это приводит к гигантской неравномерности как электрического сопротивления, так и критического тока, а также способствует смешиванию спин-триплетных куперовских пар.
Традиционно считалось, что спиновая поляризация в токе определяется исключительно спин-орбитальным взаимодействием, сила которого увеличивается с ростом атомного номера. CISS-эффект полностью опровергает это представление, демонстрируя ярко выраженную спиновую селективность в материалах на основе легких элементов. Количественная оценка эффекта долгое время оставалась труднодостижимой из-за сложностей обнаружения, отсутствия эталонных систем и недостаточной развитости микроскопической теории.
Для сравнения, в кристаллических материалах без центра инверсии (полярных структурах) неравномерный транспорт объясняется спин-орбитальным взаимодействием и хорошо описан теоретически. До сих пор объектами исследований были в основном такие полярные сверхпроводники, а теория неравномерной сверхпроводимости в них подтверждена экспериментально. Современные исследования хиральных сверхпроводников, подобных κ-NCS, позволяют впервые напрямую сопоставить их с полярными системами, используя устоявшиеся теоретические подходы.
Работа японских ученых стала прорывом в количественном анализе взаимодействий, лежащих в основе CISS, и открыла новые горизонты для фундаментальных и прикладных исследований. Впервые сверхпроводящая диодная функция достигнута в органических хиральных материалах, что ранее считалось прерогативой неорганических систем с тяжелыми элементами и полярной симметрией.
Ожидается, что результаты повлияют на развитие физики и химии твердого тела, стимулируют новые исследования в области хиральности и спиновых свойств электронов и приведут к созданию поколения уникальных сверхпроводящих приборов и функциональных материалов.
Изображение носит иллюстративный характер
Новое исследование, выполненное в Институте молекулярной науки (IMS) и SOKENDAI и опубликованное в журнале Physical Review Research, сфокусировано на двухмерном органическом сверхпроводнике κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂ (κ-NCS). Это соединение сочетает хиральную кристаллическую структуру, органическую природу (преимущественно легкие элементы) и уже подтвержденный CISS-эффект. Для детального изучения был создан тонкопленочный прибор на основе κ-NCS, в котором исследовалась неравномерность транспорта заряда.
В результате экспериментов в сверхпроводящем состоянии κ-NCS зафиксирован гигантский неравномерный ток — эффект, когда сопротивление и критический ток зависят от направления протекания тока. Масштаб неравномерности во много раз превосходит аналогичные показатели, наблюдаемые в неорганических полярных сверхпроводниках, где для усиления эффекта обычно используют тяжелые элементы. В случае κ-NCS рекордные значения получены исключительно за счет хиральности структуры и легких элементов, что указывает на резкое усиление связи между током заряда и спином под действием хиральности. Одним из возможных механизмов называют появление смешанных спин-триплетных куперовских пар.
Анализ показал, что стандартная теория спин-орбитального взаимодействия не способна объяснить столь высокую степень неравномерности, исходя только из известных параметров полосы проводимости. Для описания наблюдений требуется предполагаемое эффективное спин-орбитальное взаимодействие, превышающее обычные для органических соединений значения, а также наличие компоненты спин-триплетных пар в сверхпроводящем состоянии.
Впервые для органических материалов была показана сверхпроводящая диодная функция с эффективностью до 5%. Для сравнения, в неорганических полярных сверхпроводниках ранее сообщалось о значениях порядка 6%. Таким образом, органический хиральный сверхпроводник догоняет и даже превосходит по неравномерности своих неорганических собратьев, несмотря на отсутствие тяжелых атомов.
Ключевым выводом стало то, что неординарное взаимодействие между током и спином, инициированное хиральностью, выполняет роль эффективного спин-орбитального взаимодействия в сверхпроводящем состоянии. Это приводит к гигантской неравномерности как электрического сопротивления, так и критического тока, а также способствует смешиванию спин-триплетных куперовских пар.
Традиционно считалось, что спиновая поляризация в токе определяется исключительно спин-орбитальным взаимодействием, сила которого увеличивается с ростом атомного номера. CISS-эффект полностью опровергает это представление, демонстрируя ярко выраженную спиновую селективность в материалах на основе легких элементов. Количественная оценка эффекта долгое время оставалась труднодостижимой из-за сложностей обнаружения, отсутствия эталонных систем и недостаточной развитости микроскопической теории.
Для сравнения, в кристаллических материалах без центра инверсии (полярных структурах) неравномерный транспорт объясняется спин-орбитальным взаимодействием и хорошо описан теоретически. До сих пор объектами исследований были в основном такие полярные сверхпроводники, а теория неравномерной сверхпроводимости в них подтверждена экспериментально. Современные исследования хиральных сверхпроводников, подобных κ-NCS, позволяют впервые напрямую сопоставить их с полярными системами, используя устоявшиеся теоретические подходы.
Работа японских ученых стала прорывом в количественном анализе взаимодействий, лежащих в основе CISS, и открыла новые горизонты для фундаментальных и прикладных исследований. Впервые сверхпроводящая диодная функция достигнута в органических хиральных материалах, что ранее считалось прерогативой неорганических систем с тяжелыми элементами и полярной симметрией.
Ожидается, что результаты повлияют на развитие физики и химии твердого тела, стимулируют новые исследования в области хиральности и спиновых свойств электронов и приведут к созданию поколения уникальных сверхпроводящих приборов и функциональных материалов.
