一维 （1D） 有机金属卤化物杂化物 （C8H22N2）铜2Cl （四）6首次合成和表征了 Néel 温度为 24 K 的反铁磁有序性。这项工作为开发用于自旋电子学的功能性低维有机金属卤化物杂化物铺平了新的途径。图片来源：Angewandte Chemie International Edition （2024）。DOI： 10.1002/anie.202412759

随着手机和计算机的尺寸缩小，我们对数据存储和传输的需求也在增长。几十年来，电子设备一直由半导体提供动力，但随着小型化的不断推动，半导体的制造方式受到限制。

下一代手持设备需要一种新颖的解决方案。自旋电子学或自旋电子学是凝聚态物理学中的一个革命性新领域，可以提高纳米电子设备的内存和逻辑处理能力，同时降低功耗和生产成本。这是通过使用廉价材料和电子自旋的磁性来执行内存和逻辑功能来实现的，而不是使用典型电子产品中使用的电子电荷流。

佛罗里达州立大学科学家的新工作正在推动自旋电子学研究向前发展。

化学与生物化学系的 Biwu 马 教授和物理系的 Peng Xiong 教授研究低维有机金属卤化物杂化物，这是一类新型杂化材料，可以为太阳能电池、发光二极管或 LED 和光电探测器等光电器件供电。

他们共同在这些材料中发现了新的磁性和电子特性，指出了自旋电子学的巨大潜力。Xiong 在他的独立工作中设计了第一个在半导体中产生无磁电子自旋的实例，促进了高功率电子设备的低成本开发。

“虽然这类新材料已被证明可用于制造用于光电子器件（如LED）的光学材料，但这是我们第一次观察到一些独特的磁性，”材料化学专家马说。

“根据选择合适的有机和金属卤化物成分（理论上可能是无限的），我们能够将它们组装成具有不同维度的晶体结构。不同的成分和结构使它们表现出不同的特性，可以有多种应用，从光电子学到自旋电子学，甚至两者的结合。

马的实验室合成了不同配置的材料，然后将它们送到熊的实验室进行电子和磁性表征——两个实验室的研究生都领导了实验。然后，Xiong 的实验室提供有关合成材料特性的反馈。

在发表在Angewandte Chemie上的题为“一维有机氯化铜混合绝缘体中的反铁磁排序”的研究中，马和Xiong揭示了新发现的特性，强调了这些材料作为自旋电子学高度可调量子平台的潜力。

“想到这只是针对一种特定材料完成的一份出版物，这令人兴奋，”马 说。“我们合成了数百种材料，我们期待在未来看到更多有趣的特性和有用的应用出现。”

由 FSU 化学和生物化学副教授 Bin Ouyang 和北卡罗来纳州立大学物理学副教授 Dali Sun 领导的研究团队也为这项研究做出了贡献。

“Biwu 和我之间的合作非常自然，”Xiong 谈到正在进行的四年合作伙伴关系时说。“在两个实验室中，材料合成和性能表征之间的反馈有很多来回，我们必须在合成中微调什么以实现最佳性能等等。它是高度互动的，我们有很多不同的项目同时进行，使用不同的材料。

虽然两人的合作研究侧重于开发用于自旋电子学的新型功能材料，但 Xiong 的个人研究通过利用电子自旋与其环境中手性的相互作用，在半导体中产生无磁电子自旋，从而引入了一种全新的自旋电子学动力方式。

目前，自旋生成通常是通过与磁体相互作用产生的，这种方案存在明显的缺点。例如，来自外部磁体的边缘场很容易破坏自旋对准，如果在高密度计算机芯片等小型电子设备中使用多个半导体，则会导致复杂情况。

在今年夏天发表在 Advanced Materials 上的一项题为“半导体中手性诱导的无磁自旋生成”的研究中，Xiong 展示了自旋产生的非磁性途径。

“我们不是向磁体施加电压以将电子移入和移出半导体，而是在传输过程中翻转电子的自旋，”Xiong 说。“我们发现，当你强迫电子穿过手性结构时，手性结构是一种具有不可复制镜像的分子，它会变得自旋极化，并以与其他电子对齐的方式翻转电子以'自旋'。

“与常规旋转生成相比，此过程不仅使用更少的能源，并且在此过程中损失的能源更少，而且也更容易实现高密度集成。我们的下一步是使用 Biwu 实验室制造的手性半导体而不是非常脆弱的手性分子来实现无磁自旋。

这项工作还在 2024 年美国物理学会 3 月会议上作为特邀报告进行了介绍。这项研究的其他贡献者包括来自中国科学院、魏茨曼科学研究所和加州大学洛杉矶分校的科学家。

更多信息：Md Sazedul Islam 等人，一维有机氯化铜混合绝缘体中的反铁磁排序，Angewandte Chemie 国际版（2024 年）。DOI： 10.1002/anie.202412759

Tianhan Liu 等人，半导体中的手性诱导无磁自旋生成，先进材料（2024 年）。DOI： 10.1002/adma.202406347

期刊信息： Angewandte Chemie ， Angewandte Chemie International Edition ， Advanced Materials