חומרים כיראליים פותחים יעילות חסרת תקדים בזרימת מידע ספינטרוניקה

חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט ואוניברסיטת פיטסבורג חקרו כיצד מידע הספין של אלקטרון, הנקרא זרם ספין טהור, נע דרך חומרים כיראליים. הם גילו שהכיוון שבו מוזרקים הספינים לחומרים כיראליים משפיע על יכולתם לעבור דרכם. "שערים" כיראליים אלה יכולים לשמש לתכנון התקני ספינטרוניק חסכוניים באנרגיה לאחסון נתונים, תקשורת ומחשוב.

מכשירים ספינטרוניים רותמים את הספין של האלקטרון, ולא את המטען שלו, כדי ליצור זרם ולהעביר מידע דרך מכשירים אלקטרוניים.

"אחת המטרות בספינטרוניקה היא להעביר מידע ספין דרך חומר בלי צורך גם להזיז את המטען הקשור, כי העברת המטען דורשת יותר אנרגיה – זו הסיבה שהטלפון והמחשב שלך מתחממים כשאתה משתמש בהם במשך זמן רב." אומר דיוויד ולדק, פרופסור לכימיה בבית הספר לאמנויות ומדעים קנת פ. דיטריך בפיט ומחבר שותף של העבודה.

תפקידה של כיראליות בספינטרוניקה

מוצקים כיראליים הם חומרים שלא ניתן להצמידם על תמונת המראה שלהם – חשבו על הידיים השמאלית והימנית שלכם, למשל. כפפה שמאלית לא מתאימה על יד ימין שלך, ולהיפך. כיראליות בחומרים ספינטרוניים מאפשרת לחוקרים לשלוט בכיוון הספין בתוך החומר.

"לפני עבודה זו, חשבו שתחושת הכירליות, או 'ידידות', של חומר חשובה מאוד כיצד והאם הספין יעבור דרך החומר הזה", אומרת דאלי סאן, פרופסור חבר לפיזיקה, חבר ב- מעבדת אלקטרוניקה אורגנית ופחמן (ORaCEL) ב אוניברסיטת צפון קרוליינה ומחבר שותף של העבודה.

"וכשאתה מעביר את כל האלקטרון דרך החומר זה עדיין נכון. אבל מצאנו שאם אתה מחדיר ספין טהור לחומר כיראלי, ספיגת זרם הספין תלויה מאוד בזווית שבין קיטוב הספין לציר הכיראלי; במילים אחרות, האם קיטוב הספין מיושר במקביל או מאונך לציר הכיראלי."

ממצאים ניסויים על זרמי ספין

"השתמשנו בשתי גישות שונות, עירור חלקיקי מיקרוגל וחימום לייזר מהיר במיוחד, כדי להחדיר ספין טהור לחומרים הכיראליים שנבחרו במחקר זה, ושתי הגישות נתנו לנו את אותה מסקנה", אומר ג'ון ליו, פרופסור חבר להנדסת מכונות וחלל. חבר ב-ORaCEL ב-NC State ומחבר שותף של העבודה.

"החומרים הכיראליים שבחרנו הם שני סרטים דקים של תחמוצת קובלט כיראלית, כל אחד עם כיראליות שונה, או 'ידידות'", אומר ליו. "סרטים דקים של תחמוצת קובלט לא כיראלית נמצאים בשימוש נפוץ באלקטרוניקה מודרנית."

כאשר הצוות הזריק ספין טהור מיושר בניצב לציר הכיראלי של החומר, הם ציינו שהספין לא עבר דרך החומר. עם זאת, כאשר הספין הטהור היה מיושר במקביל או אנטי מקביל לציר הכיראלי, הספיגה שלו, או היכולת לעבור דרך החומר, השתפרו ב-3000%.

"מכיוון שספין יכול לעבור דרך החומרים הכיראליים האלה רק בכיוון אחד, זה יכול לאפשר לנו לעצב שערים כיראליים לשימוש במכשירים אלקטרוניים", אומר סאן. "והעבודה הזו מאתגרת גם חלק ממה שחשבנו שאנחנו יודעים על חומרים כיראליים וספין, וזה משהו שאנחנו רוצים לחקור יותר."

העבודה נתמכת על ידי משרד האנרגיה תחת מספרי הפרס DE-SC0020992 ו-ER46430; המשרד למחקר מדעי של חיל האוויר, תוכנית יוזמות מחקר רב-תחומיות (MURI) תחת פרס מספרי FA9550-23-1-0311ו-FA9550-23-1-0368; והקרן הלאומית למדע תחת מספרי הפרס DMR 2011978 ו-NSF-ECCS 2246254.