電子輸送のスピン分極を単分子レベルで電気的に精密に制御する

Electrically precise control of the spin polarization of electronic transport at the single-molecule level.

• Yan-Dong Guo
• Jin-Jie Wang
• Hong-Li Zeng
• Yu-Rong Yang
• Xin-Xin Xu
• Xiao-Hong Yan

抄録

従来の磁気的手段（強磁性接点など）に比べて、電気的手段でスピン流を制御することは、ナノデバイスのエネルギー消費量やサイズを大幅に小さくすることが可能であり、スピントロニクスの研究の焦点となっています。最近の鉄系金属有機ナノ構造体の合成に触発され、第一原理計算によりFe3-テルピリジン-フェニル-テルピリジン-Fe3（Fe3-TPPT-Fe3）分子のスピン依存性電子輸送を調べ、強磁性を持たない3端子デバイスを提案します。ゲート電圧を印加することで、スピン分極を100%と-100%の間で切り替えることができ、デュアルスピンフィルターを実現できるだけでなく、微調整が可能であり、スピンアップ電子数とスピンダウン電子数の任意の比率での透過が可能であることを示した。解析の結果、フェルミ準位の両側に逆のスピンを持つ2つのピークが離散的に存在する透過スペクトルが鍵となるメカニズムであることがわかった。このような特徴は、鉄原子の数やTPPT鎖の長さに依存しないことがわかり、このような系の本質的な特徴であり、実用化に非常に有利であることを示唆している。また、スピン分極の電気的制御（電場など）は、単一分子レベルで実現されており、大きな応用の可能性を示している。

Compared with the conventional magnetic means (such as ferromagnetic contacts), controlling a spin current by electrical methods could largely reduce the energy consumption and dimensions of nano-devices, which has become a focus of research in spintronics. Inspired by recent progress in the synthesis of an iron-based metal-organic nanostructure, we investigate the spin-dependent electronic transport of the molecule of Fe3-terpyridine-phenyl-phenyl-terpyridine-Fe3 (Fe3-TPPT-Fe3) through first-principles calculations, and propose a three-terminal device without ferromagnetics. By applying a gate voltage, not only the spin polarization can be switched between 100% and -100% to achieve a dual-spin filter, but also its fine regulation can be realized, where the transmission with any ratio of spin-up to spin-down electron numbers is achievable. Analysis shows that the particular transmission spectra are the key mechanism, where two peaks reside discretely on both sides of the Fermi level with opposite spins. Such a feature is found to be robust to the number of Fe atoms and TPPT chain length, suggesting that it is an intrinsic feature of such systems and very conducive to practical applications. The electrical control (such as an electric field) of spin polarization is realized at the single-molecule level, showing great application potential.