Электроны, фундаментальные частицы, несущие отрицательный заряд, обладают не только зарядом, но и внутренним свойством, известным как спин. Этот спин, подобно маленькому магниту, является ключевым элементом в современных технологиях хранения данных. Однако, манипулирование спином электронов – задача не из легких, особенно когда речь идет о разделении электронов с определенной ориентацией спина, например, спин-вверх.
Традиционный подход в этой области заключался в использовании ферромагнитных материалов, таких как железо. Пропуская электрический ток через ферромагнетик, ученые могли добиться выравнивания спиновой поляризации в направлении магнитного поля. Но, как оказалось, есть и другие, более изящные способы влияния на спин электронов.
Альтернативный метод, который в последние годы вызывает все больший интерес, связан с применением хиральных молекул. Хиральные молекулы, как левая и правая рука, не являются идентичными своим зеркальным отображениям. Когда через такие молекулы пропускают электрический ток, они способны индуцировать спиновую поляризацию. Исследования показывают, что уровень поляризации, достигаемый с помощью хиральных молекул, может достигать 60-70%, что сопоставимо с показателями ферромагнетиков. При этом данное направление всё ещё находится на стадии активного изучения и дискуссий в научном сообществе.
Ученые из университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU), возглавляемые профессором Ангелой Виттманн из Института физики, подтвердили существование хирально-индуцированной спиновой селективности (CISS) эффекта. Результаты их работы были опубликованы в журнале Science Advances. Для проведения исследований они использовали гибридную систему, представляющую собой тонкую золотую пленку, на которую наносились хиральные молекулы с геликоидальной структурой.
В эксперименте электрический ток проходил через золотую пленку, но при этом хиральные молекулы, расположенные на ее поверхности, влияли на состояние золота. Было установлено, что чистый золотой материал преобразует лишь около 3% спинового тока в заряд, причем независимо от направления спина. Однако в гибридной системе ситуация кардинально менялась.
Используя правозакрученные хиральные молекулы, исследователи наблюдали более эффективное преобразование электронов со спином-вверх в заряд. В то время как использование левозакрученных молекул, приводило к более эффективной конвертации электронов со спином-вниз. Этот эффект продемонстрировал явную зависимость преобразования спина в заряд от хиральности молекулы.
Также, было замечено, что эффект CISS является векторным. Это означает, что направление спирали хиральной молекулы имеет решающее значение. Преобразование спина в заряд происходит только в том случае, если направление спина электрона совпадает с осью спирали молекулы или противоположно ей. Если спин и ось спирали не выровнены или не противоположны друг другу, то эффект CISS не наблюдается.
Полученные данные имеют важное значение для дальнейшего развития области спинтроники и подтверждают возможность управления спином электронов с помощью хиральных молекул. Работа исследователей из JGU не только подтвердила существование CISS эффекта, но и открыла новые перспективы для создания более эффективных и компактных устройств хранения и обработки данных. Это открытие подчеркивает потенциал применения хиральных молекул в качестве перспективного инструмента для манипулирования спином электронов, открывая захватывающие возможности для будущих технологических инноваций.
Изображение носит иллюстративный характер
Традиционный подход в этой области заключался в использовании ферромагнитных материалов, таких как железо. Пропуская электрический ток через ферромагнетик, ученые могли добиться выравнивания спиновой поляризации в направлении магнитного поля. Но, как оказалось, есть и другие, более изящные способы влияния на спин электронов.
Альтернативный метод, который в последние годы вызывает все больший интерес, связан с применением хиральных молекул. Хиральные молекулы, как левая и правая рука, не являются идентичными своим зеркальным отображениям. Когда через такие молекулы пропускают электрический ток, они способны индуцировать спиновую поляризацию. Исследования показывают, что уровень поляризации, достигаемый с помощью хиральных молекул, может достигать 60-70%, что сопоставимо с показателями ферромагнетиков. При этом данное направление всё ещё находится на стадии активного изучения и дискуссий в научном сообществе.
Ученые из университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU), возглавляемые профессором Ангелой Виттманн из Института физики, подтвердили существование хирально-индуцированной спиновой селективности (CISS) эффекта. Результаты их работы были опубликованы в журнале Science Advances. Для проведения исследований они использовали гибридную систему, представляющую собой тонкую золотую пленку, на которую наносились хиральные молекулы с геликоидальной структурой.
В эксперименте электрический ток проходил через золотую пленку, но при этом хиральные молекулы, расположенные на ее поверхности, влияли на состояние золота. Было установлено, что чистый золотой материал преобразует лишь около 3% спинового тока в заряд, причем независимо от направления спина. Однако в гибридной системе ситуация кардинально менялась.
Используя правозакрученные хиральные молекулы, исследователи наблюдали более эффективное преобразование электронов со спином-вверх в заряд. В то время как использование левозакрученных молекул, приводило к более эффективной конвертации электронов со спином-вниз. Этот эффект продемонстрировал явную зависимость преобразования спина в заряд от хиральности молекулы.
Также, было замечено, что эффект CISS является векторным. Это означает, что направление спирали хиральной молекулы имеет решающее значение. Преобразование спина в заряд происходит только в том случае, если направление спина электрона совпадает с осью спирали молекулы или противоположно ей. Если спин и ось спирали не выровнены или не противоположны друг другу, то эффект CISS не наблюдается.
Полученные данные имеют важное значение для дальнейшего развития области спинтроники и подтверждают возможность управления спином электронов с помощью хиральных молекул. Работа исследователей из JGU не только подтвердила существование CISS эффекта, но и открыла новые перспективы для создания более эффективных и компактных устройств хранения и обработки данных. Это открытие подчеркивает потенциал применения хиральных молекул в качестве перспективного инструмента для манипулирования спином электронов, открывая захватывающие возможности для будущих технологических инноваций.
