La quiralidad describe una molécula que no se puede superponer a su propia imagen especular. Dos moléculas quirales geométricamente diferentes de la misma fórmula, que se distinguen por la configuración R y S, exhiben diferentes propiedades ópticas. Más intrigante aún, un bloque de material hecho de las mismas moléculas quirales puede funcionar como una puerta de seguridad cuando los electrones se abren paso, y solo otorga acceso a los electrones con la misma identidad de espín. Es decir, los electrones en el estado de espín se abrirán camino a través de las moléculas quirales que favorecen el estado de espín, mientras que los electrones en el estado de espín se bloquearán y desviarán, o viceversa. Este efecto de filtrado intrínseco conocido como selectividad de espín inducida por quiral (CISS) es de gran interés para el procesamiento de información cuántica, donde la información se almacena como carga de espín.

En esta investigación publicada en Nature , los investigadores del grupo de Duan diseñaron una unión de efecto túnel hecha de superredes de intercalación molecular quiral (CMIS), una estructura que saca lo mejor de CISS.

Estructura única:superredes de intercalación molecular quiral (CMIS)

Una unión de túnel de espín es un filtro de espín que los investigadores ensamblan para evaluar CISS y el rendimiento del material quiral elegido. La configuración básica incluye un electrodo de metal para conducir electricidad, un material ferromagnético que controla selectivamente la corriente entrante para que esté solo en 1 estado de giro:girar hacia arriba o hacia abajo. Un bloque de superredes quirales está intercalado en el medio, cuyo diseño es el campo de investigación para muchos.

Tradicionalmente, la estructura del filtro está hecha de capas moleculares autoensambladas, que tienen moléculas quirales (los "espárragos" en la figura 1) que giran directamente sobre el material ferromagnético. La calidad resultante se degrada en gran medida por defectos conocidos como poros, que dejan pasar el giro opuesto. Los agujeros de alfiler se filtran a medida que aumenta el número de pernos, lo que limita el alcance de la máxima selectividad de giro.

Dado el caso, el grupo de Duan adopta un enfoque innovador para hacer superredes de intercalación molecular quiral (CMIS) como filtro. A diferencia de la estructura tradicional, una superred es una estructura periódica de alto orden hecha de capas alternas de múltiples materiales. Para su CMIS, el equipo tiene una R-α-metilbencilamina (R-MBA) de mano izquierda o la S-α-metilbencilamina de mano derecha (S-MBA) insertada entre la capa anfitriona de la hoja de disulfuro de tantalio (TaS2), una proceso sintético conocido como intercalación.

"La superred funciona como si se apilaran ladrillos de Lego para crear un filtro de varias etapas, esta estructura lleva su selectividad de giro al siguiente nivel", dijo el coautor, el Dr. Huaying Ren. "Minimiza en gran medida los pequeños agujeros a través de la capa de protección 2D".

Evaluación del efecto de filtrado

Dicho dispositivo crea una gráfica sin precedentes de corriente frente a campo magnético que marca la ruptura en el límite de filtrado de electrones (Figura 2).

En la Figura 2a, la superred está formada por una molécula quiral R-MBA intercalada en la fase H 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. + Explora más

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