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厉害了!实现利用人造分子马达,操纵电子自旋!

人工分子开关和机器在过去几十年中经历了快速增长。特别地,从旋转期间的手征开关的观点来看,人造分子马达是非常有吸引力的。研究人员现在已经创造了一种电子自旋滤光片,通过光照射或热处理改变自旋极化的方向。

该结果有利于纳米分子开关运动产生的固态功能的发展。在自旋电子学中,由于轻元素的弱自旋轨道相互作用(SOI),有机材料具有更长的自旋弛豫时间和更长的自旋扩散长度。

因此,近年来有机材料作为“自旋运输材料”受到广泛关注。同时,当有机材料用作“旋转过滤器”时,较弱的SOI成为缺点。自旋极化电流通常由具有铁磁性或强SOI的无机材料产生。然而,近年来,已发现对手性分子自旋选择性电子传输的研究。所谓的手性诱导自旋选择性(CISS)效应,提出了使用有机材料作为自旋电子应用的旋转过滤器的替代方法。通过这种效应,右手和左手分子分别产生上下旋转。

(图示)人工分子马达的单向旋转,蓝色螺旋代表人造分子马达。人造分子马达的旋转周期包括四个手征反转,导致当前自旋极化方向的四次切换。

然而,在当前实验中使用的手性分子都是静态分子。因此,尚未实现使用外部刺激来控制自旋极化方向的研究。现在,日本科学研究所,奈良大学,Suranaree大学和Vidyasirimedhi科学与技术研究所的研究人员创造了一种新的固态自旋过滤装置,它将一层薄薄的人造分子马达夹在中间。分子运动电子的自旋极化方向应通过光照射或热处理来改变。在不同的可见光照射时间之后用左旋异构体制备的装置的磁阻(MR)曲线。

在初始状态下,观察到具有负反对称斜率的表观MR曲线,这意味着显着的自旋选择性。随着光的照射,磁流变信号逐渐减小,最终磁流变信号的斜率变为正,表明自旋极化电流通过左手右手的手征反转,并且选择性旋转选择上旋转。较低的自转变为光致转动开关。随后L-异构体的热活化进一步将MR曲线的斜率从正变为负,这意味着热激活诱导的自旋通过右手性左手性反转从较低自旋转变为较高自旋选择性。

(图示)(左)L-异构体制备装置的不同可见光照射时间后的装置的MR曲线,和(右)右旋异构体的热处理前后的MR曲线。

在随后的光照射和热处理测量中观察到类似的现象。这一系列实验清楚地表明,在分子马达的360度旋转期间诱导了四个旋转开关。在这种新型有机自旋电子器件中,由CISS效应产生的自旋极化的起源 - 右手性/左手性可以通过外部刺激重建,并且使用人工分子马达首次实现自旋极化。精确控制电流中的自旋极化方向。该研究对于开发与分子机器相结合的下一代有机光/热电子器件具有重要的指导意义。