La chiralité décrit une molécule qui ne peut pas être superposée à sa propre image miroir. Deux molécules chirales géométriquement différentes de la même formule, distinguées par la configuration R et S, présentent des propriétés optiques différentes. Plus intrigant, un bloc de matériau constitué des mêmes molécules chirales peut fonctionner comme une porte de sécurité lorsque les électrons pullulent, n'accordant l'accès qu'aux électrons ayant la même identité de spin. C'est-à-dire que les électrons à l'état de spin up se fraient un chemin à travers les molécules chirales qui favorisent l'état de spin up, tandis que les électrons à l'état de spin down seront bloqués et déviés, ou vice versa. Cet effet de filtrage intrinsèque connu sous le nom de sélectivité de spin induite par la chiralité (CISS) est d'un grand intérêt pour le traitement de l'information quantique, où l'information est stockée sous forme de charge de spin.

Dans cette recherche publiée dans Nature , les chercheurs du groupe de Duan ont conçu une jonction tunnel de spin constituée de super-réseaux d'intercalation moléculaire chiraux (CMIS), une structure qui fait ressortir le meilleur de CISS.

Structure unique :super-réseaux d'intercalation moléculaire chiraux (CMIS)

Une jonction tunnel de spin est un filtre de spin que les chercheurs assemblent pour évaluer le CISS et les performances du matériau chiral qu'ils ont choisi. La configuration de base comprend une électrode métallique pour conduire l'électricité, un matériau ferromagnétique qui contrôle sélectivement le courant entrant pour qu'il soit uniquement dans un état de spin :soit spin up, soit spin down. Un bloc de super-réseau chiral est pris en sandwich entre les deux, dont la conception est le terrain de recherche pour beaucoup.

Traditionnellement, la structure du filtre est constituée de couches moléculaires auto-assemblées, qui ont des molécules chirales (les "goujons" de la figure 1) déposées directement sur le matériau ferromagnétique. La qualité résultante est largement dégradée par des défauts connus sous le nom de trous d'épingle, qui laissent passer le glissement de spin opposé. Les trous d'épingle imprègnent à mesure que le nombre de plots augmente, ce qui limite la portée de la sélectivité de spin maximale.

Compte tenu du cas, le groupe de Duan adopte une approche innovante pour créer des super-réseaux d'intercalation moléculaire chiraux (CMIS) comme filtre à la place. Différent de la structure traditionnelle, un super-réseau est une structure périodique d'ordre élevé constituée de couches alternées de plusieurs matériaux. Pour leur CMIS, l'équipe a soit une R-α-méthylbenzylamine gaucher (R-MBA) soit la S-α-méthylbenzylamine droite (S-MBA) insérée entre la couche hôte de la feuille de disulfure de tantale (TaS2), un processus de synthèse connu sous le nom d'intercalation.

"Le super-réseau fonctionne comme empiler des briques lego les unes sur les autres pour créer un filtre à plusieurs étages, cette structure porte sa sélectivité de rotation au niveau supérieur", a déclaré le co-auteur, le Dr Huaying Ren. "Cela minimise considérablement les trous d'épingle à travers la couche de protection 2D."

Évaluation de l'effet de filtrage

Un tel dispositif crée un tracé sans précédent du courant par rapport au champ magnétique qui marque la rupture de la limite de filtrage des électrons (Figure 2).

In Figure 2a, the superlattice is made of chiral molecule R-MBA intercalated into H- phase 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. + Explorer plus loin

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