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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里经历了快速的发展。特别是,从旋转过程中手性开关的角度来看,人工分子马达具有很高的吸引力。现在研究人员制造了一种电子自旋过滤装置,它可以通过光辐照或热处理来改变自旋极化方向。这一结果有利于纳米分子开关运动所产生固态功能的发展。在自旋电子学中,由于轻元素的弱自旋轨道相互作用(SOI),使得有机材料具有较长的自旋弛豫时间和较长自旋扩散长度。

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    因此有机材料作为一种“自旋输运材料”近年来受到了广泛的关注。同时,有机材料作为“自旋过滤器”时,SOI较弱成为一个缺点。自旋极化电流通常由具有铁磁性或强SOIs的无机材料产生。然而,近年来手性分子自旋选择性电子输运的研究发现。,即所谓的手性诱导自旋选择性(CISS)效应,提出了一种利用有机材料作为自旋电子应用的自旋过滤器替代方法。通过这种效应,右旋分子和左旋分子分别产生上旋和下旋。

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    • (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。该人工分子马达的旋转周期包括4次手性反转,导致电流自旋极化方向的4次切换。

    然而,目前实验中使用的手性分子都是静态分子。因此,利用外界刺激来控制自旋极化方向的研究尚未实现。

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    现在日本理研所、奈良理工学院、Suranaree大学和Vidyasirimedhi科学技术研究所的研究人员制作了一种新型固态自旋过滤装置,它将一层薄薄的人造分子马达夹层起来。通过分子马达电子的自旋极化方向应通过光照射或热处理来改变。用左旋异构体制作的器件在不同可见光照射时间后的磁阻(MR)曲线。

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    在初始状态下,观察到一个明显反对称斜率为负的MR曲线,这意味着一个明显的自旋选择性。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,说明自旋极化电流通过左手向右手的手性反转,由上自旋选择性自旋向下自旋转变为光诱导自旋开关。随后左旋异构体的热活化过程又将MR曲线的斜率由正变为负,这意味着热活化诱导的自旋通过右手性向左手性反转从下旋选择性转向上旋选择性。

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    • (图示)(左)左旋异构体制备器件在不同可见光照射时间后的MR曲线,(右)右旋异构体热处理前后的MR曲线。

    在随后的光辐照和热处理后测量中也观察到类似的现象,这一系列实验清楚地表明,在分子马达360度旋转过程中,共诱导了4次自旋开关。在这种新型有机自旋电子学装置中,利用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进行重构,并首次利用人工分子马达实现了自旋极化电流中自旋极化方向的精确控制。这一研究成果对与分子机器相结合的下一代有机光/热敏电子器件的研制具有重要指导意义。

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