手性材料开启了自旋电子信息流前所未有的效率

北卡罗来纳州立大学和匹兹堡大学的研究人员研究了电子的自旋信息（称为纯自旋电流）如何通过手性材料移动。他们发现，自旋注入手性材料的方向会影响它们通过这些材料的能力。这些手性“网关”可用于设计用于数据存储、通信和计算的节能自旋电子设备。

自旋电子设备利用电子的自旋，而不是它的电荷，来产生电流并在电子设备中传递信息。

“自旋电子学的目标之一是在不移动相关电荷的情况下移动自旋信息，因为移动电荷需要更多的能量 —— 这就是为什么你的手机和电脑在长时间使用时会发热，”皮特大学肯尼斯·p·迪特里希艺术与科学学院的化学教授大卫·瓦尔德克（David Waldeck）说，他也是该研究的共同通讯作者。

手性在自旋电子学中的作用

手性固体是一种不能在其镜像上叠加的材料 —— 例如，想想你的左手和右手。左手的手套不适合右手，反之亦然。自旋电子材料的手性使研究人员能够控制材料内部的自旋方向。

北卡罗来纳州立大学有机与碳电子实验室（ORaCEL）成员、物理学副教授、该研究的共同通讯作者孙大立（音译）表示：“在这项工作之前，人们认为材料的手性感或‘利手感’对自旋如何以及是否在该材料中移动非常重要。”。

“当你将整个电子通过材料时，这仍然是正确的。但我们发现，如果将纯自旋注入手性材料，对自旋流的吸收强烈依赖于自旋极化与手性轴之间的夹角；换句话说，自旋极化是平行还是垂直于手性轴对齐。”

自旋电流的实验结果

“在这项研究中，我们使用了两种不同的方法，微波粒子激发和超快激光加热，将纯自旋注入选定的手性材料中，两种方法都给了我们相同的结论，”机械和航空航天工程副教授、北卡罗来纳州立大学ORaCEL成员、该工作的共同通讯作者刘军（音译）说。

刘军说：“我们选择的手性材料是两种手性氧化钴薄膜，每一种都有不同的手性或‘手性’。非手性氧化钴薄膜通常用于现代电子产品。”

当研究小组注入垂直于材料手性轴的纯自旋时，他们注意到自旋并没有穿过材料。然而，当纯自旋与手性轴平行或反平行时，其吸收率或通过材料的能力提高了3000%。

“由于自旋只能在一个方向上通过这些手性材料，这可以使我们设计用于电子设备的手性通道，”孙大立说。“这项工作也挑战了我们对手性材料和自旋的一些认识，这是我们想进一步探索的东西。”

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