Cientistas alcançam divisão gigante de spin Rashba-Dresselhaus em estruturas metal-orgânicas quirais 2D

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Li Xingxing e pelo acadêmico Yang Jinlong da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) desenvolveu estruturas metal-orgânicas quirais bidimensionais (2D) como semicondutores Rashba-Dresselhaus (RD) com grande divisão de spin. O estudo foi publicado em Ciência Química.

O efeito RD é um fenômeno espontâneo de divisão de spin causado pelo acoplamento spin-órbita em um ambiente de quebra de simetria por inversão de espaço. O efeito não exige que o material seja inerentemente magnético e, assim, evita o problema de que a temperatura Curie de materiais magnéticos de baixa dimensão esteja geralmente bem abaixo da temperatura ambiente.

Semicondutores com grande divisão de spin RD são promissores para a fabricação de dispositivos spintrônicos controlados por campo elétrico. No entanto, os semicondutores RD 2D atualmente relatados são principalmente materiais inorgânicos e em quantidade limitada. Além disso, os fatores potenciais que afetam a divisão de spin e os métodos gerais para realizar uma grande divisão de spin ainda precisam ser explorados.

Nos últimos anos, a comunidade acadêmica começou a se concentrar em estruturas metal-orgânicas quirais 2D (CMOFs). Os CMOFs bidimensionais são uma subclasse importante da família MOF e têm recebido ampla atenção em catálise assimétrica e aplicações enantiosseletivas. Como uma das condições básicas para o surgimento da divisão de spin RD é a quebra da simetria de inversão espacial, os CMOFs sem inversão e simetria de espelho são uma plataforma de design natural. As questões a serem abordadas pelos pesquisadores neste estudo eram se a divisão significativa do spin RD poderia ser alcançada em CMOFs 2D, como isso poderia ser alcançado e a correlação entre a quiralidade e os efeitos do RD.

Os pesquisadores construíram uma série de materiais CMOFs utilizando ligantes inorgânicos (-I, -Br, -Cl, -F, -CN, -H) átomos de metais pesados ​​coordenados (Sr – Sn, Ba – Pb) como nós, e um axialmente ligante quiral, um derivado de 4,4′-bipiridina, como ligante. Com base em cálculos de primeiros princípios, uma série de semicondutores RD bidimensionais com grande divisão de spin e grandes constantes de acoplamento RD na banda de valência foram teoricamente obtidas por uma estratégia de triagem em três etapas.

Curiosamente, a textura do spin na banda de valência foi ajustável alterando a quiralidade da estrutura metal-orgânica. Finalmente, os pesquisadores identificaram cinco elementos-chave para a obtenção de grandes divisões de spin RD em COMFs 2D: (i) quiralidade, (ii) grande acoplamento spin-órbita, (iii) intervalo de banda estreito, (iv) bandas de valência e condução com a mesma simetria. no ponto Г e (v) forte campo de ligante.

O estudo revela os fatores subjacentes que controlam a divisão de spin R-D, o que pode beneficiar o desenvolvimento futuro de semicondutores R-D 2D com divisão de spin gigante.