背景

自旋電子器件（Spintronics）與傳統(tǒng)電子器件截然不同，它利用電子自旋來(lái)感測(cè)、存儲(chǔ)、輸運(yùn)和處理信息。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件相比，其潛在優(yōu)勢(shì)在于非易失性、數(shù)據(jù)處理速度更高、耗電量更少、集成密度更高。

基于磁振子的自旋晶體管（圖片來(lái)源：L. Cornelissen）

分子自旋電子器件，力求通過(guò)主動(dòng)控制單個(gè)分子的自旋狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)電子器件的小型化。

創(chuàng)新

近日，德國(guó)基爾大學(xué)的化學(xué)家與物理學(xué)家聯(lián)手法國(guó)和瑞士的同事們，在表面上設(shè)計(jì)、沉積和操作單分子自旋開(kāi)關(guān)。這種新開(kāi)發(fā)的分子具有穩(wěn)定的自旋狀態(tài)，并且不會(huì)在表面吸附的情況下喪失功能。他們將這一成果發(fā)表在最近一期的《自然納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）期刊上。

技術(shù)

新化合物的自旋狀態(tài)至少可以在數(shù)日之內(nèi)保持穩(wěn)定?；鶢柎髮W(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Manuel Gruber 表示：“這是通過(guò)設(shè)計(jì)一種類似計(jì)算機(jī)中基本電子電路的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是所謂的觸發(fā)器，將輸出信號(hào)回送到輸入端，來(lái)實(shí)現(xiàn)0與1之間的雙穩(wěn)態(tài)或者切換。”

這種新分子具有三種特性：形狀（平面或者曲面）、兩個(gè)子單元的接近度【也稱為“坐標(biāo)（是或否）”】、自旋狀態(tài)（高自旋或者低自旋）。這三種特性在反饋回路中相互耦合。因此，分子被鎖定在一個(gè)狀態(tài)或者另一個(gè)狀態(tài)。

（圖片來(lái)源：Rainer Herges）

在銀表面上升華和沉積之后，開(kāi)關(guān)自組裝成高度有序的陣列。該陣列中的每一個(gè)分子都可以用掃描隧道顯微鏡單獨(dú)處置，并通過(guò)施加正電壓或者負(fù)電壓，在兩個(gè)狀態(tài)之間切換。

（圖片來(lái)源：Jan-Simon von Glasenapp 和 Rainer Herges）

價(jià)值

Manuel Gruber 博士與有機(jī)化學(xué)家 Rainer Herges 教授解釋道：“我們的新型自旋開(kāi)關(guān)只通過(guò)一個(gè)分子，就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電子器件采用幾個(gè)元件例如晶體管和電阻器才能實(shí)現(xiàn)的功能，朝著進(jìn)一步小型化邁出了一大步。”

分子是可設(shè)計(jì)并構(gòu)造成具有原子精度和可預(yù)測(cè)特性的最小結(jié)構(gòu)。它們可響應(yīng)電氣或者光學(xué)刺激，而且它們定制的化學(xué)與物理功能，使之成為開(kāi)發(fā)可控表面催化劑或光學(xué)器件等新型器件的獨(dú)特候選對(duì)象。

關(guān)鍵字

分子、自旋、電子

參考資料

【1】Alexander K bke, Florian Gutzeit, Fynn R hricht, Alexander Schlimm, Jan Grunwald, Felix Tuczek, Micha Studniarek, Danilo Longo, Fadi Choueikani, Edwige Otero, Philippe Ohresser, Sebastian Rohlf, Sven Johannsen, Florian Diekmann, Kai Rossnagel, Alexander Weismann, Torben Jasper-Toennies, Christian N ther, Rainer Herges, Richard Berndt, Manuel Gruber.Reversible coordination-induced spin-state switching in complexes on metal surfaces. Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0594-8

【2】https://www.uni-kiel.de/en/details/news/414-spintronik