近日,一個(gè)由德國(guó)基爾大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì),成功設(shè)計(jì)、存放和操作表面上的單分子自旋開(kāi)關(guān)。新開(kāi)發(fā)的分子具有穩(wěn)定的自旋狀態(tài),在表面吸附不會(huì)失去其功能。該研究有望使電子元件微型化邁進(jìn)一大步。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》雜志上。自旋電子學(xué)利用電子自旋進(jìn)行傳感、信息存儲(chǔ)、傳輸和處理,可大幅提高數(shù)據(jù)處理速度、降低電力消耗和提高集成密度。分子自旋開(kāi)關(guān)是控制分子與磁性金屬界面自旋極化發(fā)展的理想選擇,與分子自旋電子器件息息相關(guān)。然而迄今為止,自旋交叉配合物等固有自旋開(kāi)關(guān)在金屬表面吸附后常出現(xiàn)斷裂或功能喪失。

在基爾大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家曼紐爾·格魯伯博士和化學(xué)家萊納·海格斯教授的共同領(lǐng)導(dǎo)下,一個(gè)包括法國(guó)SOLEIL同步輻射加速器和瑞士保羅謝爾研究所的科學(xué)家在內(nèi)的國(guó)際團(tuán)隊(duì),成功研發(fā)穩(wěn)定的單分子自旋開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)了金屬表面配合物中可逆配位誘導(dǎo)的自旋態(tài)轉(zhuǎn)換。格魯伯博士表示,這是通過(guò)一種類似于計(jì)算機(jī)中基本電子電路的設(shè)計(jì)技巧來(lái)實(shí)現(xiàn)的,即所謂的觸發(fā)器。通過(guò)將輸出信號(hào)循環(huán)回輸入端,可以實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)或在0和1之間切換。在這種反饋回路中,新開(kāi)發(fā)的分子有3種相互耦合的特性:它們的形狀(平坦或彎曲)、與其它原子的配位(配位或不配位),以及自旋狀態(tài)(高或低)。這3個(gè)屬性中只有兩個(gè)組合是穩(wěn)定的并且相互增強(qiáng)。這些分子蒸發(fā)附著在銀表面后,會(huì)排列成高度有序的陣列。這種陣列中的分子可以用超高分辨率的掃描隧道顯微鏡來(lái)施加極小的電流脈沖。通過(guò)正電壓或負(fù)電壓,使其在兩種狀態(tài)之間切換。格魯伯博士和海格斯教授介紹說(shuō):“我們的新自旋開(kāi)關(guān)只用一個(gè)分子就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電子器件中晶體管和電阻等多個(gè)元件的功能。這是邁向微型化的一大步。下一步我們將增加化合物的復(fù)雜性,以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作。”除了新型電子元器件之外,該研究還有望用于可控表面催化劑的研發(fā)等領(lǐng)域。