Theoretische Studien zur chiralitätsinduzierten Spinselektivität

• Antragsteller: Professor Dr. Gianaurelio Cuniberti
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442940777

Die Ausnutzung des Spinfreiheitsgrades, um Information zu übertragen oder logische Operationen durchzuführen, bildet die Grundlage der Spintronik. Derzeit basiert die Mehrheit der bestehenden spintronischen Bauteilen auf anorganischen Materialien. Die Verwendung organischer Moleküle in der Spintronik würde jedoch viele Vorteile bieten, wie z.B. die Möglichkeit, die spinabhängigen Eigenschaften chemisch zu optimieren. Bei Molekülen ohne intrinsische magnetische Response sind starke spinabhängige Effekte nicht zu erwarten. Überraschenderweise wurde vor einigen Jahren experimentell gezeigt, dass Monoschichten von doppelsträngigen DNA-(dsDNA)-Oligomeren als starke Spinfilter wirken können. Eine sehr suggestive Hypothese wurde vorgeschlagen, dass die Spinselektivität eng mit der Helixsymmetrie der bisher untersuchten Moleküle verbunden ist (dsDNA, Bacteriorhodopsin, helikale Oligopeptide, Helicen). Mit anderen Worten, es scheint, dass die schraubenförmige Form (neben dem möglichen Vorhandensein von chiralen Zentren) weitgehend für das beobachtete Phänomen verantwortlich ist. Diese Ergebnisse können nicht nur für das Design neuartiger, organischer oder bio-inspirierter spintronischer Bauteilen von großer Bedeutung sein, sondern auch neue Erkenntnisse über den Elektronentransfer in biologisch relevanten Molekülen liefern. Dieses neuartige Phänomen wurde als Chirality-Induced Spin Selectivity (CISS) Effekt bezeichnet. In diesem Antrag zielen wir darauf ab, den CISS-Effekt theoretisch aus verschiedenen Perspektiven zu untersuchen, um auf seiner physikalischen Grundlage zusätzliches Licht zu werfen. Der Bezugspunkt werden molekulare Systeme mit schraubenförmiger Symmetrie sein, so dass modellbasierte Studien durch elektronische Strukturuntersuchungen in realistischen Systemen ergänzt werden können. Dies wird dazu beitragen, die Willkür bei der Wahl der relevanten Modellparameter zu reduzieren. Wir erwarten, dass die im vorliegenden Antrag erzielten Ergebnisse nicht nur von grundlegendem Interesse für das Verständnis des Zusammenspiels zwischen Geometrie und spinabhängigen Eigenschaften sind, sondern auch als Leitfaden und Motivation für weitere experimentelle Studien dienen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Rafael Gutierrez