Хиральные нанопровода активно меняют направление спина электронов

Явление, при котором спины электронов выстраиваются в определённом направлении после прохождения через хиральные материалы, является краеугольным камнем для будущей спинтронной электроники. Однако точный механизм этого эффекта оставался загадкой — до сих пор.

Графическая аннотация. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c10577

Международная команда исследователей, связанная с Ульсанским национальным институтом науки и технологий (UNIST), впервые непосредственно наблюдала поведение спинов электронов в реальном пространстве, что дало новое понимание этого сложного взаимодействия. Результаты были опубликованы в журнале ACS Nano.

Исследование провели профессора Ноён Пак и Сон Намгунг с кафедры физики UNIST в сотрудничестве с профессором Бинхай Яном из Университета штата Пенсильвания. Их работа подтверждает, что хиральные материалы активно меняют ориентацию спина электронов, опровергая давнее убеждение, что эти материалы просто фильтруют спины, не влияя на их направление.

Хиральность, подобно тому как левая и правая руки являются зеркальными отражениями, но не идентичны, — это свойство, встречающееся во многих природных структурах, включая ДНК и спиральные пружины. Когда электрический ток проходит через такие структуры, электроны с определённым спином проходят легче — ключевой принцип, который может лечь в основу разработки передовых спинтронных устройств.

Однако то, как именно это происходит, было предметом споров. Основные теории сводились либо к тому, что хиральные материалы действуют как спиновые фильтры — блокируя одну ориентацию спина и пропуская другую, — либо к тому, что они активно переориентируют спин электрона в соответствии со своей структурой.

Чтобы прояснить этот вопрос, команда провела эксперименты с использованием нанопроводов из теллура, которые имеют естественную спиральную форму. Они подключили эти нанопровода к графеновым электродам и использовали специализированную микроскопию для прямого наблюдения за спинами.

Результаты оказались поразительными: направления спина в нанопроводе и электродах идеально совпадали. Если бы материал просто фильтровал спины, можно было бы ожидать, что отражённые и прошедшие спины будут иметь противоположные знаки. Вместо этого сохранялась одна и та же ориентация спина, что убедительно подтверждает идею об активном управлении спинами электронов хиральными структурами.

Кроме того, теоретические расчёты показали, что при прохождении через хиральный материал электроны приобретают орбитальный угловой момент, сонаправленный с «закрученностью» структуры, который затем определяет направление их спина.

«Непосредственное наблюдение этого поведения подтверждает, как ведут себя спины в хиральных материалах. Это открывает захватывающие возможности для проектирования новых спинтронных и квантовых устройств на основе хиральности», — прокомментировал профессор Намгунг.

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology