Спинтроника, или спиновая электроника, — это революционный подход к обработке информации, который использует собственный угловой момент (спин) электронов, а не только поток электрического заряда. Эта технология обещает более быстрые и энергоэффективные устройства хранения данных и логические устройства. Главной задачей для полного внедрения спинтроники была разработка материалов, которые могут точно контролировать направление спина электронов.
Новое слово в спин-нанотехнологиях
Исследователи под руководством профессора Ён Гына Кима из Университета Кореи и профессора Ки Тхэ Нама из Сеульского национального университета успешно создали магнитные наногеликсы, которые могут управлять спином электронов.
Эта технология, использующая хиральные магнитные материалы для регулирования спина электронов при комнатной температуре, была опубликована в журнале Science.
«Эти наногеликсы достигают поляризации спина, превышающей ~80%, — только за счёт своей геометрии и магнетизма», — заявил профессор Ён Гын Ким из Университета Кореи, соавтор исследования.
Он также подчеркнул: «Это редкое сочетание структурной хиральности и внутреннего ферромагнетизма, которое позволяет фильтровать спины при комнатной температуре без сложных магнитных схем или криогеники и открывает новый способ управления поведением электронов с помощью структурного дизайна».
Инновационный подход
Исследовательская группа успешно изготовила лево- и правозакрученные хиральные магнитные наногеликсы путём электрохимического контроля процесса кристаллизации металла.
Ключевым нововведением стало введение следовых количеств хиральных органических молекул, таких как цинхонин или цинхонидин, которые направляли формирование спиралей с точно определённой хиральностью — достижение, редко достижимое в неорганических системах.
Кроме того, команда экспериментально продемонстрировала, что, когда эти наногеликсы имеют правозакрученность, они предпочтительно пропускают одно направление спина, в то время как противоположное направление спина не может пройти. Это открытие знаменует собой появление трёхмерной неорганической спиральной наноструктуры, способной управлять спином электронов.
«Хиральность хорошо изучена в органических молекулах, где хиральность структуры часто определяет её биологическую или химическую функцию», — отметил профессор Ки Тхэ Нам из Сеульского национального университета, также соавтор исследования.
«Но в металлах и неорганических материалах контролировать хиральность во время синтеза чрезвычайно сложно, особенно на наноуровне. Тот факт, что мы смогли запрограммировать направление неорганических спиралей, просто добавив хиральные молекулы, является прорывом в химии материалов».
Подтверждение хиральности наногеликсов
Для подтверждения хиральности наногеликсов исследователи разработали метод оценки хиральности на основе электродвижущей силы (ЭДС) и измерили ЭДС, генерируемую спиралями под действием вращающихся магнитных полей.
Лево- и правозакрученные спирали генерировали противоположные сигналы ЭДС, что позволило количественно подтвердить хиральность даже в материалах, которые слабо взаимодействуют со светом.
Исследовательская группа также обнаружила, что сам магнитный материал за счёт своей намагниченности (выравнивания спинов) обеспечивает дальний перенос спина при комнатной температуре. Этот эффект, поддерживаемый сильной обменной энергией, постоянен независимо от угла между хиральной осью и направлением инжекции спина и не наблюдался в немагнитных наногеликсах того же масштаба.
Это первое измерение асимметричного переноса спина в относительно макроскопическом хиральном теле. Команда также продемонстрировала твердотельное устройство, которое показало сигналы проводимости, зависящие от хиральности, что открывает путь для практических применений спинтроники.
Профессор Ким сказал: «Мы считаем, что эта система может стать платформой для хиральной спинтроники и архитектуры хиральных магнитных наноструктур».
Эта работа представляет собой мощное сочетание геометрии, магнетизма и спинового транспорта, построенное на основе масштабируемых неорганических материалов. Ожидается, что способность контролировать хиральность (лево- или правозакрученность) и даже количество нитей (двойные, множественные спирали) с помощью этого универсального электрохимического метода внесёт значительный вклад в новые области применения.
Предоставлено Университетом Кореи