[論文レビュー] Spin-Selective Electron Transport Through Single Chiral Molecules

Mohammad Reza Safari, Frank Matthes+3 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Sep 14, 2023

Molecular Junctions and NanostructuresEngineering参考文献 34被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、5 Kでスピン極性走査トンネル顕微鏡法（SP-STM）を用いて、キラルヘプタヘリセン分子をフェロマグネティックコバルトナノ島上に単一分子でスピン選択的電子輸送を実証した。同一条件下でのエナンチオマー間の直接比較により、最大50%に達する磁気キラル電導率非対称性が明らかとなり、CISSが単一分子現象であることを確立するとともに、電子-格子励起結合やアンサンブル効果が主なメカニズムである可能性を除外した。

ABSTRACT

The interplay between chirality and magnetism has been a source of fascination among scientists for over a century. In recent years, chirality-induced spin selectivity (CISS) has attracted renewed interest. It has been observed that electron transport through layers of homochiral molecules leads to a significant spin polarization of several tens of percent. Despite the abundant experimental evidence gathered through mesoscopic transport measurements, the exact mechanism behind CISS remains elusive. In this study, we report spin-selective electron transport through single helical aromatic hydrocarbons that were sublimed in vacuo onto ferromagnetic cobalt surfaces and examined with spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) at a temperature of 5 K. Direct comparison of two enantiomers under otherwise identical conditions revealed magnetochiral conductance asymmetries of up to 50% when either the molecular handedness was exchanged or the magnetization direction of the STM tip or Co substrate was reversed. Importantly, our results rule out electron-phonon coupling and ensemble effects as primary mechanisms responsible for CISS.

研究の動機と目的

• 電子輸送におけるキラリティ誘導スピン選択性（CISS）の微視的起源について長年の曖昧さを解消すること。
• 従来のアンサンブル平均化または接触ベースの測定による実験的曖昧さを回避し、同一条件下での単一エナンチオマーの研究を通じて、CISSの本質を解明すること。
• 電子-格子励起結合や分子間相互作用がCISSに不可欠であるかどうかを特定すること。
• 将来的なCISSの理論的モデリングに適した明確な単一分子プラットフォームを確立すること。

提案手法

• 高真空中でラシック[7]ヘリセンを、Cu(111)上に形成された単結晶コバルトバイレイヤーのナノ島上に昇華する。
• 5 Kでスピン極性走査トンネル顕微鏡法（SP-STM）および分光法（STS）を用い、個々のエナンチオマーを通過するトンネル電流をプローブする。
• フィードバック制御なしに、磁性を持つSTMプローブを用いて、一定高さでのSTMモードで1対のエナンチオマー上を電流変化をマップする。
• 同一のCoナノ島上での(M)-および(P)-[7]Hエナンチオマー間の導電率を、同一のプローブおよび磁化方向で直接比較する。
• バイアスおよび磁気配置を変化させた状態で分子上を横断するラインプロファイルを用いて、磁気キラル電導率非対称性（MChA）を定量する。
• 分子解像度を用いて、トポグラフィー対比により分子のヘリシティを特定し、単一分子測定の妥当性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CISS効果は個々のキラル分子に固有のものであり、分子間相互作用や集団的効果を必要としているのか？
• RQ2 制御された条件下で、単一分子レベルでの磁気キラル電導率非対称性を直接測定できるか？
• RQ3 電子-格子励起結合や熱的効果が、観察されたスピン選択性の生成に主たる役割を果たしているのか？
• RQ4 磁性STMプローブを用いてフェロマグネティック基板上でプローブされるとき、単一キラル分子のヘリシティはその導電率にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 同一Coナノ島上での(P)-および(M)-[7]Hエナンチオマーを介した単一分子トンネル輸送において、最大50%の磁気キラル電導率非対称性が観測された。
• Co基板またはSTMプローブの磁化方向を反転させると、導電率差が逆転したため、この効果が磁気キラル性であることが確認された。
• 5 Kでも非対称性が維持されたことから、熱的増幅機構は観察されたCISS効果に不可欠ではないことが示された。
• 同一実験条件下でのエナンチオマー間の直接比較により、接触形成のばらつきや分子の変形が非対称性の原因である可能性が除外された。
• 同じ1対のエナンチオマー上を一定高さでプローブを走査した際、顕著な導電率差が認められなかったことから、非対称性が分子ヘリシティそのものに起因していることが裏付けられた。
• 孤立分子で弱いプローブ結合が観察された状況においてもCISS効果が観測されたことから、電子-格子励起結合やアンサンブル効果がCISSの主なメカニズムである可能性は排除された。