Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben den Einfluss chiraler Moleküle auf den Spin untersucht. Dieser Effekt, bekannt als „Chiral-induced Spin Selectivity Effect“ (CISS), könnte weitreichende Implikationen für die Zukunft der Speichertechnologien haben. Elektronen besitzen neben ihrer negativen Ladung auch einen Spin, der entscheidend für die Effizienz und Sicherheit von elektronischen Bauteilen ist. Doch die gezielte Selektion bestimmter Spins, wie beispielsweise nur von Elektronen mit aufwärtsgerichtetem Spin, erweist sich als äußerst herausfordernd.
Bisherige Methoden zur Spinselektion basierten häufig auf dem Leiten von Strom durch Ferromagneten wie Eisen, die jedoch Einschränkungen aufweisen. Die neue Methodik, die die JGU-Forschenden entwickelt haben, nutzt chirale Moleküle, die sich nicht mit ihrem Spiegelbild decken lassen, um eine Spinpolarisation zu erreichen. Diese innovative Technik erzielt eine Spinpolarisation von etwa 60 bis 70 Prozent, was vergleichbar ist mit den Werten, die bei ferromagnetischen Materialien beobachtet werden.
Die experimentelle Untersuchung
In ihren Experimenten verwendeten die Wissenschaftler eine Goldschicht, die mit chiralen Molekülen beschichtet war, um den CISS zu untersuchen. Der Ladungsstrom fließt hauptsächlich durch die Goldschicht; die chiralen Moleküle wirken jedoch auf den Zustand des Goldes ein. In einer reinen Goldschicht werden rund 3 Prozent des Spinstroms unabhängig von der Spinrichtung in Ladungsstrom umgewandelt. Bei rechtsdrehenden chiralen Molekülen wird Spin-up effizienter in Ladungsstrom umgewandelt als Spin-down; bei linksdrehenden Molekülen geschieht das Gegenteil. Diese Umwandlung hängt stark von der Chiralität der Moleküle ab.
Besonders interessant ist der vektorielle Charakter des Effekts: Die Helixstruktur eines chiralen Moleküls muss in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung wie die Spins der Elektronen zeigen. Sobald die Spins gedreht werden, verschwindet der Effekt. Dies unterstützt die Akzeptanz des Chiral-induced Spin Selectivity und zeigt den signifikanten Einfluss chiraler Moleküle auf Spins.
Theoretische und experimentelle Herausforderungen
Die Diskussion über den CISS und seine Auswirkungen auf die elektronischen und magnetischen Eigenschaften chiraler Moleküle zeigte weiterhin eine Magnetisierungsabhängigkeit der Wechselwirkungen zwischen chiralen Molekülen und ferromagnetischen Oberflächen. Neueste Experimente haben Spinpolarisationen von bis zu 85 % bei Raumtemperatur nachgewiesen. Dennoch gibt es einen Konsens über eine theoriebasierte Beschreibung des CISS, der weiterhin schwierige quantitative Vergleiche zwischen theoretischen Modellen und experimentellen Ergebnissen zulässt.
Theoretische Studien legen nahe, dass große Spin-Bahn-Kopplungen notwendig sind, um die in Experimenten beobachtete Spinfilterung zu reproduzieren. Zudem zeigen Experimente, dass Austauschwechselwirkungen und der Pauli-Ausschluss wesentliche Rollen im CISS spielen. Eine Spinpolarisation P kann als Verhältnis der gemessenen Ströme Iα und Iβ betrachtet werden, was visuell die Effizienz der Spinselektion in Geräten demonstriert.
Chirale Moleküle stellen auch einen wichtigen Forschungsschwerpunkt in der Chemie dar, insbesondere hinsichtlich ihrer Anwendung in pharmazeutischen Bereichen. CISS sorgt für enantiospezifische Eigenschaften in chemischen Reaktionen und bei der Adsorption auf ferromagnetischen Oberflächen, was die Bedeutung von Spins in der Reaktionsdynamik unterstreicht. Diese Wechselwirkungen sind entscheidend für die Unterscheidung chiraler Moleküle auf ferromagnetischen Substraten durch Variationen in der Magnetisierung.
Der CISS könnte auch in quantenbasierten Geräten von Bedeutung sein, die die kohärenten Eigenschaften des Elektronenspins nutzen. Mit der Fähigkeit, die Spinpolarisation über große Distanzen zu transportieren, eröffnet sich ein neues Feld für zukünftige Anwendungen in der Spintronik und darüber hinaus, das innovative Strategien zur Entwicklung fortschrittlicher Speichertechnologien und elektronischer Bauteile erfordert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung an chiralen Molekülen nicht nur die Grundlagen der Physik beeinflusst, sondern auch signifikante praktische Anwendungen in der modernen Technologie haben kann. Das volle Potenzial der Forschung zum Chiral-induced Spin Selectivity wird in den kommenden Jahren weiterhin eine spannende Rolle spielen.
Für weitere Informationen über diese spannenden Entwicklungen in der Spintronik können Sie die Artikel auf JGU, PMC und Nature lesen.