Artykuł, "Long-Time-Scale Magnetization Ordering Induced by an Adsorbed Chiral Monolayer on Ferromagnets" który właśnie ukazał się w czasopiśmie ACS Nano [1] przedstawia nowe wyniki współpracy naukowej pomiędzy profesorem Lechem T. Baczewskim z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie i profesorem Yossi Paltielem z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie, współpracy, która w ciągu kilku lat zaowocowała już serią publikacji w najbardziej znaczących czasopismach naukowych, takich jak Science, Nature Communications i NanoLetters.
Przedmiotem wspólnych badań są magnetyczne nanostruktury hybrydowe składające się z epitaksjalnych cienkich warstw metalicznych zawierających warstwę ferromagnetyka oraz samoorganizującej się warstwy molekuł chiralnych (SAM) zaadsorbowanych na wierzchniej warstwie złota, która pokrywa warstwę ferromagnetyka. Cienka warstwa ferromagnetyczna musi być wyhodowana w taki sposób, aby jej kierunek łatwego namagnesowania był prostopadły do powierzchni warstwy. Warstwy metaliczne są hodowane w ultra wysokiej próżni przy użyciu metody epitaksji z wiązek molekularnych (MBE) w IFPAN w Warszawie. W instytucie przeprowadzane są także pomiary strukturalne i magnetyczne warstw.
Monowarstwa molekuł chiralnych (SAM), zaadsorbowana w dalszej fazie eksperymentu, na powierzchni warstwy metalicznej wykazuje polaryzację spinową, a oddziaływania wymiany z warstwą ferromagnetyczną z anizotropią prostopadłą są przyczyną interesujących zjawisk, takich jak reorientacja namagnesowania ferromagnetyka poprzez odpowiedni dobór skrętności zaadsorbowanych molekuł chiralnych, bez użycia zewnętrznego pola magnetycznego czy elektrycznego. Artykuł w ACS Nano jest próbą odpowiedzi na otwarte dotychczas pytania dotyczące mechanizmu odpowiedzialnego za spinową selektywność w molekułach chiralnych CISS (chiral induced spin selectivity). W szczególności, ważnym problemem jest dynamika zjawiska, wyjaśnienie czy efekt zmiany kierunku namagnesowania ma charakter przejściowy (transient) i zachodzi tylko podczas adsorpcji molekuł chiralnych czy też jest trwały i heterostruktura "pamięta" zmieniony kierunek namagnesowania.
W pracy zastosowano nowatorską metodę badania oddziaływań magnetycznych w nanostrukturze, wykorzystującą pomiar elektronowego rezonansu spinowego (ESR) w swoistym "magnetometrze spinowym" umieszczonym w bezpośredniej bliskości badanej próbki. Sensorem pola magnetycznego jest płytka diamentu z intencjonalnie wprowadzonymi defektami NVC. W takim defekcie, będącym spinowym tripletem - ms=0 i ms= +/1, dwa sąsiednie atomy węgla w krysztale diamentu są zastąpione przez parę, atom azotu - luka po atomie węgla, która lokuje się wzdłuż jednej z czterech osi krystalograficznych diamentu. Rozkład przestrzenny defektów w diamencie powoduje różne rozszczepienia stanów spinowych poprzez efekt Zeemana, wywołany polem magnetycznym ferromagnetycznej warstwy heterostruktury, co odpowiada rożnym częstotliwościom rezonansu spinowego.
Pomiary ESR umożliwiły przeprowadzenie jakościowej analizy zmian wielkości namagnesowania i jego orientacji (kąta nachylenia) względem powierzchni warstwy ferromagnetycznej w funkcji czasu. Korelację pomiarów namagnesowania z zachowaniem zaadsorbowanych molekuł chiralnych umożliwiły prowadzone jednocześnie pomiary mikroskopii sił atomowych AFM, pokazujące zmiany topografii warstwy molekuł SAM w czasie. Pomiary te pozwoliły na wyznaczenie wielkości zmian kąta nachylenia molekuł do powierzchni warstwy. Analiza uzyskanych wyników wykazała, że namagnesowanie nanostruktury ferromagnetycznej zmienia się w czasie w wyniku adsorpcji molekuł chiralnych na powierzchni, a kąt nachylenia wektora magnetyzacji jest bezpośrednio skorelowany z kątem nachylenia molekuł chiralnych względem powierzchni heterostruktury. Uzyskany wynik jest dowodem trwałej i długookresowej selektywności spinowej CISS, co potwierdza, że indukowana tym efektem reorientacja namagnesowania warstwy ferromagnetycznej jest również trwała i wynika z dużej wartości energii wymiany (spin exchange energy).
Wyniki pracy mają także istotne znaczenie dla potencjalnych zastosowań obserwowanego zjawiska w przemyśle farmaceutycznym, gdzie jednym z ważnych problemów jest separacja molekuł lewoskrętnych i prawoskrętnych, które mogą mieć diametralnie różne działanie terapeutyczne.
[1] "Long-Time-Scale Magnetization Ordering Induced by an Adsorbed Chiral Monolayer on Ferromagnets",
I. Meirzada, N. Sukenik, G. Haim, S. Yochelis, L. T. Baczewski, Y. Paltiel, N. Bar-Gill, ACS Nano 15, 5574 - 5579 (2021)
