Le contrôle du spin des électrons ouvre de futurs scénarios pour des applications en électronique basée sur le spin (spintronique), par exemple dans le traitement des données. Elle présente également de nouvelles opportunités pour contrôler la sélectivité et l'efficacité des réactions chimiques. Des chercheurs ont récemment présenté des premiers succès avec l'exemple de la séparation de l'eau pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène "verts". Un projet commun impliquant des groupes de travail du Center for Soft Nanoscience de l'Université de Münster (Allemagne) et de l'Institut de chimie de l'Université de Pittsburgh (Pennsylvanie; Prof. David Waldeck) a maintenant pour tâche de faire avancer le développement systématique de la technologie de spin -matériaux catalytiques sélectifs.

À cette fin, les chercheurs relient l'activité catalytique de divers matériaux polarisants de spin inorganiques à des mesures directes de la sélectivité de spin. L'accent est mis sur les matériaux d'oxyde qui ont été délibérément cultivés avec une structure chirale. En outre, les chercheurs souhaitent également étudier l'origine de la polarisation de spin dans ces matériaux chiraux. Les résultats d'une première étude des couches d'oxyde de cuivre chiraux viennent d'être publiés dans ACS Nano revue.

Les résultats en bref

L'équipe de chercheurs allemands et américains a d'abord examiné les catalyseurs d'oxyde chiraux, constitués dans ce cas de fines couches d'oxyde de cuivre chiraux sur un mince film d'or. Les données mesurées montrent que la polarisation en spin des électrons dépend de laquelle de ces couches proviennent les électrons. L'équipe considère que deux effets en sont responsables :l'effet de sélectivité de spin induite par la chiralité (CISS) et l'arrangement magnétique dans les couches chirales. Les résultats doivent aider à la production future de matériaux d'oxyde catalytique à spin sélectif, améliorant ainsi l'efficacité des réactions chimiques.

L'exemple des piles à combustible :la rotation indésirable des électrons réduit l'efficacité

Dans les piles à combustible, l'hydrogène et l'oxygène réagissent l'un avec l'autre et forment de l'eau, de l'énergie électrique étant libérée au cours du processus. L'hydrogène peut avoir été produit auparavant par le processus inverse, décomposant les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. L'énergie nécessaire pour cela peut être fournie par l'énergie électrique à partir de sources d'énergie régénératives ou directement par la lumière du soleil, de sorte qu'à l'avenir, l'hydrogène pourrait servir de source d'énergie dans un cycle énergétique conçu pour être CO₂ -neutre.

Ce qui freine toute commercialisation à grande échelle du concept, par exemple dans les véhicules électriques fonctionnant à la pile à combustible, c'est, entre autres, le faible rendement. Beaucoup d'énergie doit être utilisée pour décomposer les molécules d'eau, ce qui signifie qu'il est actuellement moins coûteux d'utiliser cette énergie directement pour recharger une batterie de voiture. Cette moindre efficacité dans la décomposition des molécules d'eau est une conséquence non seulement de la surtension élevée nécessaire pour développer l'oxygène à l'anode de la cellule d'électrolyse, mais aussi de la production de sous-produits indésirables tels que le peroxyde d'hydrogène et l'oxygène excité électroniquement. En raison de leur grande réactivité, ces sous-produits peuvent également attaquer le matériau de l'électrode. Les deux sous-produits se présentent dans un état dit singulet, dans lequel les spins des électrons impliqués dans les liaisons moléculaires sont alignés en mode antiparallèle l'un par rapport à l'autre. Dans le produit recherché de la réaction - l'oxygène dans l'état fondamental électronique - ce n'est pas le cas car il forme un état triplet avec des spins alignés en parallèle, et ainsi générer une seule direction de spin aide à arriver à cet état d'oxygène recherché. /P>

Nouvelle approche :le catalyseur oxyde produit le spin électronique souhaité

Il s'agit d'une approche nouvelle car elle consiste à aligner en parallèle les spins des radicaux adsorbés sur les surfaces des catalyseurs, à partir desquels se forment les sous-produits. Un tel alignement parallèle des spins électroniques peut être obtenu en utilisant un matériau chiral. Dans ce cas, le transfert d'électrons à travers les électrodes en conséquence de l'effet CISS, ou par le changement structurel de l'oxyde, peut être sélectif en spin. En conséquence, la formation de molécules à l'état singulet indésirable est supprimée et le rendement en hydrogène est augmenté.

Alors que les chercheurs ont réussi à démontrer la catalyse sélective de spin, il n'y a toujours pas de compréhension complète de l'origine de l'effet CISS. La transmission sélective en spin des électrons à travers des molécules hélicoïdales - et donc aussi chirales - a été démontrée. However, more recent studies show that spin-selective transmission also occurs in inorganic, non-molecular chiral materials. Inorganic, spin-filtering surfaces are more stable, chemically, than chiral molecular layers and permit greater current densities in the context of spin-selective catalysis.

The current study in detail

In the study now published, lead author Paul Möllers, a Ph.D. student at Münster University, examined chiral copper oxide films with a thickness of just a few nanometers which had previously been electrochemically deposited in a chiral form onto thin gold substrates by researchers from Pittsburgh. UV laser pulses were used to stimulate photoelectrons from the samples and their mean spin polarization was measured (in a spin polarimeter based on "Mott scattering"). Depending on whether the samples were hit from the oxide-covered front side or from the reverse side, in the process electrons with different energies were emitted from the gold substrate or from the oxide films themselves, in different proportions. By correlating the energy distribution with the spin polarization values measured, the Münster researchers showed that the electrons from both layers are polarized to different extents.

The electrons from the gold substrate are filtered, as regards their spin, by the CISS effect as they pass through the chiral layer. The electrons from the chiral copper oxide display an opposite spin polarization, and in the case of films with a thickness of more than 40 nanometers, there is a preponderance of these copper oxide electrons. Additional measurements carried out by the working group led by Prof. Heiko Wende at the Department of Physics at the University of Duisburg-Essen suggest that this reflects a magnetic arrangement in the chiral layers which is not observed in non-chiral oxide films with the same composition.

In order to follow up this hypothesis, the experimental set-up in Münster will be extended by having the possibility of measuring the spin polarization in electrons depending directly on their energy. Further measurements on chiral copper and cobalt oxide films will enable not only a clear differentiation to be made between both polarization mechanisms, but also chiral inorganic spin-selective catalyst materials to be designed specifically. + Explorer plus loin

Chirality and chiral-induced spin selectivity