A quiralidade descreve uma molécula que não pode ser sobreposta à sua própria imagem especular. Duas moléculas quirais geometricamente diferentes da mesma fórmula, distinguidas pela configuração R- e S-, exibem propriedades ópticas diferentes. Mais intrigante, um bloco de material feito das mesmas moléculas quirais pode funcionar como um portão de segurança quando os elétrons passam, apenas concedendo acesso a elétrons com a mesma identidade de spin. Ou seja, os elétrons no estado de spin up passarão pelas moléculas quirais que favorecem o estado de spin up, enquanto os elétrons no estado de spin down serão bloqueados e defletidos, ou vice-versa. Este efeito de filtragem intrínseco conhecido como seletividade de spin induzida por quiral (CISS) é de grande interesse para o processamento de informação quântica, onde a informação é armazenada como carga de spin.
Nesta pesquisa publicada na Nature , pesquisadores do grupo de Duan projetaram uma junção de tunelamento de spin feita de super-redes de intercalação molecular quiral (CMIS), uma estrutura que traz o melhor do CISS.

Estrutura única:Superredes de intercalação molecular quiral (CMIS)

Uma junção de tunelamento de spin é um filtro de spin que os pesquisadores montam para avaliar o CISS e o desempenho do material quiral escolhido. A configuração básica inclui um eletrodo de metal para conduzir eletricidade, um material ferromagnético que controla seletivamente a corrente de entrada para estar apenas em um estado de spin:ou spin para cima ou para baixo. Um bloco de super-rede quiral está ensanduichado no meio, do qual o design é o campo de pesquisa para muitos.

Tradicionalmente, a estrutura do filtro é feita a partir de camadas moleculares automontadas, que possuem moléculas quirais (os "pinos" na figura 1) girando o revestimento diretamente sobre o material ferromagnético. A qualidade resultante é amplamente degradada por defeitos conhecidos como pinholes, que deixam passar o deslizamento de rotação oposto. Os orifícios permeiam à medida que o número de pinos aumenta, o que limita o alcance da seletividade máxima de spin.

Dado o caso, o grupo de Duan adota uma abordagem inovadora para fazer super-redes de intercalação molecular quirais (CMIS) como filtro. Diferente da estrutura tradicional, uma super-rede é uma estrutura periódica de alta ordem feita de camadas alternadas de vários materiais. Para o CMIS, a equipe tem uma R-α-metilbenzilamina para canhotos (R-MBA) ou a S-α-metilbenzilamina (S-MBA) para destros inserida entre a camada hospedeira da folha de dissulfeto de tântalo (TaS2), um processo sintético conhecido como intercalação.

"A superlattice funciona como empilhar peças de lego umas sobre as outras para fazer um filtro de vários estágios, essa estrutura traz sua seletividade de rotação para o próximo nível", disse o coautor Dr. Huaying Ren. "Isso minimiza bastante os pinholes na camada de proteção 2D."

Avaliação do efeito de filtragem

Tal dispositivo cria um gráfico sem precedentes de corrente versus campo magnético que marca a quebra no limite de filtragem de elétrons (Figura 2).

Na Figura 2a, a super-rede é feita de molécula quiral R-MBA intercalada na fase H TaS₂ . Durante a varredura de varredura de campo, quando o campo magnético é maior que o campo coercitivo do Cr₃ Te₄ , a ordenação ferromagnética fora do plano em 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. + Explorar mais

Inducing and tuning spin interactions in layered material by inserting iron atoms, protons