Postępy spintroniki molekularnej zapowiadają nową erę w dziedzinie urządzeń wykorzystujących prąd spinowy
Odkrycie prawie 30 lat temu gigantycznego magnetooporu było przełomowym osiągnięciem, którego autorom przyznano w 2007 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Od tamtego czasu bardzo szybki rozwój w zakresie możliwości wykorzystania zarówno ładunku, jak i spinu elektronów doprowadził do powstania wielu urządzeń spintronicznych. Ostatnio zastosowanie organicznych molekuł zamiast konwencjonalnych, całkowicie nieorganicznych heterostruktur otworzyło przed badaczami praktycznie nieograniczony wachlarz unikalnych właściwości i funkcji. Biorąc pod uwagę związane z tym zdumiewające możliwości łączenia materiałów, konieczne jest zdobycie podstawowej wiedzy oraz narzędzi do racjonalnego projektowania molekularnego. Dofinansowanie projektu COSMICS ze środków unijnego programu Przyszłe i powstające technologie pomogło odpowiedzieć na to zapotrzebowanie oraz wesprzeć prace na zupełnie nowymi innowacjami technologicznymi.
Kompleksy spin-crossover na podłożach nieorganicznych
Kompleksy spin-crossover (SCO) to cząsteczki, które mogą występować zarówno w niskim, jak i wysokim stanie magnetycznym. Koordynator projektu Cyrille Barreteau z Francuskiej Komisji Alternatywnych Źródeł Energii i Energetyki Atomowej wyjaśnia: „Kompleksy SCO mogą być przełączane z niskiego spinu (lub niskiego magnetyzmu) na wysoki spin przy pomocy zewnętrznego bodźca, takiego jak światło, temperatura, napięcie lub ciśnienie. Przełączaniu magnetycznemu towarzyszy zmiana innych właściwości, takich jak objętość, charakterystyka optyczna i przewodnictwo. To przełączanie stanowi także „gałkę”, dzięki której naukowcy mogą dostrajać inne właściwości, gdy SCO jest w kontakcie z podłożem”. Chociaż struktury krystaliczne kompleksów SCO są znane od dawna, wyzwaniem było osadzenie tych cząsteczek na podłożach, nie mówiąc już o zachowaniu ich zdolności przełączania. Tym samym właściwości kompleksów SCO na podłożach pozostały w dużej mierze nieznane.
Pionierski wgląd w właściwości kompleksów SCO
Projekt COSMICS umożliwił utworzenie wyjątkowego multidyscyplinarnego konsorcjum, które opracowało zaawansowane techniki modelowania, posiłkując się przełomowymi eksperymentami w nowej dziedzinie, jaką jest spintronika molekularna. „Potężny system do konstruowania struktur molekularnych opracowany w ramach projektu COSMICS jest dla naukowców nieocenionym narzędziem. Przyjazne dla użytkownika narzędzia analityczne znacznie ułatwiają wykonywanie skomplikowanych obliczeń. Bardzo efektywna implementacja umożliwia z kolei symulację dużych systemów przy umiarkowanym koszcie obliczeniowym”, mówi Barreteau. Zespół COSMICS wykorzystał opracowane przez siebie narzędzia modelowania do symulacji najbardziej stabilnych kompleksów SCO i zaproponowania nowych systemów, które mogą otworzyć przed badaczami atrakcyjne drogi do projektowania urządzeń spintroniki molekularnej. Osadzenie przez zespół stabilnych kompleksów SCO pozwoliło na zbadanie zachowań tych obiecujących, choć enigmatycznych cząsteczek. Wnioski z eksperymentów dostarczyły informacji na potrzeby modeli i odwrotnie, co umożliwiło dokładne poznanie roli oddziaływań międzycząsteczkowych i cząsteczkowych na mechanizm przełączania kompleksów SCO.
Przełomowe odkrycia i trwały wpływ projektu
Barreteau tłumaczy: „Nieoczekiwanie w jednym z naszych kompleksów SCO odkryliśmy, że zmiana objętości warstw molekularnych, która zachodzi przy przełączaniu, może wywołać znaczące zmiany właściwości elektronicznych podłoża. Włączyliśmy kompleks SCO do koncepcji poziomego urządzenia z SCO i grafenu, co pozwoliło na zademonstrowanie bezprecedensowego transportu elektronów w arkuszu grafenu”. Transport można wyregulować za pomocą światła i/lub temperatury, wykorzystując przejście spinowe warstwy wierzchniej kompleksu SCO. Wyniki te pozwolą na przygotowanie pierwszych sterowanych światłem urządzeń wykorzystujących prąd spinowy, opartych na kompleksach SCO. „Narzędzia do modelowania opracowane w ramach COSMICS przyczyniły się do opracowania skutecznych nowych sposobów wykorzystania cząsteczek magnetycznych w urządzeniach elektronicznych, opartych na manipulacji spinem w skali pojedynczej cząsteczki. Będą one nieodzowne przy projektowaniu nowych urządzeń”, dodaje na koniec Barreteau. Wyniki tego projektu powinny przełożyć się na znaczące przyspieszenie innowacji w nowej dziedzinie spintroniki molekularnej.
Słowa kluczowe
COSMICS, SCO, kompleks SCO, modelowanie, grafen, magnetyzm, cząsteczki magnetyczne, spintronika molekularna, magnetoopór, gigantyczny magnetoopór, spin-crossover, przejście spinowe, prąd spinowy, przełączanie
