Bei der Einführung reinen Spins in chirale Materialien kommt es auf die Richtung an

Forscher der North Carolina State University und der University of Pittsburgh untersuchten, wie sich Informationen über den Spin eines Elektrons, der sogenannte reine Spinstrom, durch chirale Materialien bewegen. Sie fanden heraus, dass die Richtung, in der Spins in chirale Materialien injiziert werden, deren Fähigkeit, sie zu passieren, beeinflusst. Diese chiralen „Gateways“ könnten verwendet werden, um energieeffiziente spintronische Geräte für die Datenspeicherung, Kommunikation und Datenverarbeitung zu entwickeln.

Spintronische Geräte nutzen den Spin eines Elektrons und nicht seine Ladung, um Strom zu erzeugen und Informationen in elektronischen Geräten zu übertragen.

„Eines der Ziele der Spintronik besteht darin, Spininformationen durch ein Material zu bewegen, ohne die zugehörige Ladung bewegen zu müssen, da das Bewegen der Ladung mehr Energie erfordert. Deshalb erhitzen sich Ihr Telefon und Ihr Computer, wenn Sie sie über einen längeren Zeitraum verwenden.“ sagt David Waldeck, Professor für Chemie an der Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences in Pitt und Mitautor der Arbeit.

Chirale Festkörper sind Materialien, deren Spiegelbild nicht überlagert werden kann – denken Sie zum Beispiel an Ihre linke und rechte Hand. Ein Handschuh für Linkshänder passt nicht zu Ihrer rechten Hand und umgekehrt. Chiralität in spintronischen Materialien ermöglicht es Forschern, die Rotationsrichtung innerhalb des Materials zu steuern.

„Vor dieser Arbeit glaubte man, dass das Gefühl der Chiralität oder ‚Handhabbarkeit‘ eines Materials sehr wichtig dafür sei, wie und ob sich der Spin durch dieses Material bewegen würde“, sagt Dali Sun, außerordentlicher Professor für Physik und Mitglied der Organic und Carbon Electronics Laboratory (ORaCEL) an der North Carolina State University und Mitautor der Arbeit.

„Und wenn man das gesamte Elektron durch das Material bewegt, bleibt das wahr. Aber wir haben herausgefunden, dass die Absorption des Spinstroms stark vom Winkel zwischen dem Polarisationsspin und der chiralen Achse abhängt, wenn man einem chiralen Material reinen Spin injiziert Das heißt, ob die Spinpolarisation parallel oder senkrecht zur chiralen Achse ausgerichtet ist.

„Wir verwendeten zwei unterschiedliche Ansätze, Mikrowellenteilchenanregung und ultraschnelle Lasererwärmung, um reinen Spin in die in dieser Studie ausgewählten chiralen Materialien zu injizieren, und beide Ansätze führten zu derselben Schlussfolgerung“, erklärt Jun Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. Mitglied von ORaCEL an der NC State und Mitautor der Arbeit.

„Die chiralen Materialien, die wir ausgewählt haben, sind zwei chirale Kobaltoxid-Dünnfilme mit jeweils unterschiedlicher Chiralität oder „Seite“, erklärt Liu. „In der modernen Elektronik werden häufig nichtchirale Kobaltoxid-Dünnfilme verwendet.“

Als das Team reinen Spin einspeiste, der senkrecht zur chiralen Achse des Materials ausgerichtet war, stellten sie fest, dass der Spin nicht durch das Material ging. Wenn der reine Spin jedoch parallel oder antiparallel zur chiralen Achse ausgerichtet war, verbesserte sich seine Absorption bzw. Fähigkeit, durch das Material zu dringen, um 3.000 %.

„Da der Spin diese chiralen Materialien nur in einer Richtung passieren kann, könnte uns dies ermöglichen, chirale Gateways für den Einsatz in elektronischen Geräten zu entwerfen“, sagt Sun. „Und diese Arbeit stellt auch einiges von dem in Frage, was wir über chirale Materialien und Spin zu wissen glaubten, was wir weiter erforschen wollen.“

Das Werk erscheint in Wissenschaftler machen Fortschritte. Rui Sun, ein Postdoktorand an der NC State, Ziqi Wang, ein Doktorand an der NC State, und Brian Bloom, ein wissenschaftlicher Assistenzprofessor an der University of Pittsburgh, sind Co-Erstautoren.