人工分子開關和機器在過去幾十年裡經歷了快速的發展。特別是，從旋轉過程中手性開關的角度來看，人工分子馬達具有很高的吸引力。現在研究人員製造了一種電子自旋過濾裝置，它可以通過光輻照或熱處理來改變自旋極化方向。這一結果有利於納米分子開關運動所產生固態功能的發展。在自旋電子學中，由於輕元素的弱自旋軌道相互作用(SOI)，使得有機材料具有較長的自旋弛豫時間和較長自旋擴散長度。
因此有機材料作為一種「自旋輸運材料」近年來受到了廣泛的關注。同時，有機材料作為「自旋過濾器」時，SOI較弱成為一個缺點。自旋極化電流通常由具有鐵磁性或強SOIs的無機材料產生。然而，近年來手性分子自旋選擇性電子輸運的研究發現。，即所謂的手性誘導自旋選擇性(CISS)效應，提出了一種利用有機材料作為自旋電子應用的自旋過濾器替代方法。通過這種效應，右旋分子和左旋分子分別產生上旋和下旋。
（圖示）人工分子馬達的單向旋轉，藍色螺旋代表人造分子馬達。該人工分子馬達的旋轉周期包括4次手性反轉，導致電流自旋極化方向的4次切換。然而，目前實驗中使用的手性分子都是靜態分子。因此，利用外界刺激來控制自旋極化方向的研究尚未實現。現在日本理研所、奈良理工學院、Suranaree大學和Vidyasirimedhi科學技術研究所的研究人員製作了一種新型固態自旋過濾裝置，它將一層薄薄的人造分子馬達夾層起來。通過分子馬達電子的自旋極化方向應通過光照射或熱處理來改變。用左旋異構體製作的器件在不同可見光照射時間後的磁阻(MR)曲線。
在初始狀態下，觀察到一個明顯反對稱斜率為負的MR曲線，這意味著一個明顯的自旋選擇性。隨著光的照射，磁流變信號逐漸減小，最終磁流變信號的斜率變為正，說明自旋極化電流通過左手向右手的手性反轉，由上自旋選擇性自旋向下自旋轉變為光誘導自旋開關。隨後左旋異構體的熱活化過程又將MR曲線的斜率由正變為負，這意味著熱活化誘導的自旋通過右手性向左手性反轉從下旋選擇性轉向上旋選擇性。
（圖示）(左)左旋異構體製備器件在不同可見光照射時間後的MR曲線，(右)右旋異構體熱處理前後的MR曲線。在隨後的光輻照和熱處理後測量中也觀察到類似的現象，這一系列實驗清楚地表明，在分子馬達360度旋轉過程中，共誘導了4次自旋開關。在這種新型有機自旋電子學裝置中，利用CISS效應產生的自旋極化的起源——右手性/左手性可以通過外部刺激進行重構，並首次利用人工分子馬達實現了自旋極化電流中自旋極化方向的精確控制。這一研究成果對與分子機器相結合的下一代有機光/熱敏電子器件的研製具有重要指導意義。
博科園｜研究/來自：國立自然科學研究院參考期刊《自然通訊》DOI: 10.1038/s41467-019-10423-6博科園｜科學、科技、科研、科普