[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究在5 K下利用自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）对单个手性七螺旋烯分子在铁磁钴纳米岛上的自旋选择性电子输运进行了研究。通过在相同条件下直接比较对映异构体，发现磁致旋导电不对称性最高可达50%，确立了CISS效应为单分子现象，并排除了电子-声子耦合与集合效应为主要机制的可能性。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于手性诱导自旋选择性（CISS）在电子输运中微观起源的模糊性。
• 通过在相同条件下研究单一对映异构体，消除以往平均化集合或基于接触测量所导致的实验模糊性。
• 确定电子-声子耦合或分子间相互作用是否对CISS效应至关重要。
• 为未来CISS的理论建模建立一个明确的单分子平台。

提出的方法

• 在超高真空条件下将外消旋[7]helicene蒸发沉积到Cu(111)表面的单晶Co双层纳米岛上。
• 在5 K下利用自旋极化扫描隧道显微镜（SP-STM）和谱学（STS）技术探测单一对映异构体中的隧穿电流。
• 采用恒定高度STM模式，使用磁性STM探针，在无反馈控制的情况下对单对对映异构体的电流变化进行测绘。
• 在相同Co纳米岛上，对(M)-和(P)-[7]H对映异构体进行直接比较，保持探针和磁化方向一致。
• 通过在不同偏压和磁构型下对分子进行线性剖面分析，量化磁致旋导电不对称性（MChA）。
• 利用亚分子分辨率通过形貌对比识别分子手性，并确认测量为单分子水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 CISS效应是否本质上源于单个手性分子，还是需要分子间相互作用或集体效应？
• RQ2 在良好控制的条件下，是否可直接在单分子水平上测量磁致旋导电不对称性？
• RQ3 电子-声子耦合或热效应是否在产生观测到的自旋选择性中起主导作用？
• RQ4 当使用磁性STM探针在铁磁基底上探测时，单个手性分子的手性如何影响其电导？

主要发现

• 在相同Co纳米岛上，单分子隧穿通过(P)-和(M)-[7]H对映异构体时，观察到高达50%的磁致旋导电不对称性。
• 当Co基底或STM探针的磁化方向反转时，电导差异也随之反转，证实该效应具有磁致旋特性。
• 该不对称性在5 K下依然存在，表明热增强机制并非CISS效应所必需。
• 在相同实验条件下直接比较对映异构体，排除了接触形成差异和分子形变作为不对称性来源的可能性。
• 当探针在恒定高度下扫描同一对手性分子对时，未观察到显著电导差异，证实该不对称性源于分子手性本身。
• 结果排除了电子-声子耦合和集合效应作为CISS主要机制的可能性，因为该效应在孤立分子且弱探针耦合条件下仍可被观测到。