拓扑手性 (topological chirality) 是指分子无法通过三维空间的持续形变转换成为其镜像的特性，是涉及数学、物理、化学、生物与材料科学等多学科交叉的研究领域，已经成为国际前沿科研领域。与被广泛研究的经典欧几里得手性 (Euclidean chirality) 相比较，拓扑手性分子的性能探索和应用研究还处于起步阶段。
近期，Im体育官网app化学与分子工程学院杨海波教授和王威研究员团队联合Im体育官网app物理与电子科学学院段纯刚教授团队、复旦大学桑玉涛研究员、以色列魏茨曼科学研究所Ron Naaman教授以及瑞典乌普萨拉大学Jonas Fransson教授展开跨学科国际合作研究，在拓扑手性和自旋电子学领域取得重要进展，首次发现拓扑手性三叶结兼具高自旋过滤能力和高导电性，相关研究成果以“Highly conductive topologically chiral molecular knots as efficient spin filters”为题发表在国际化学领域顶级期刊《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 49, 26791)上，并被选为封面文章。
杨海波教授团队长期从事化学拓扑学研究，基于其在化学拓扑学特别是拓扑手性领域长期以来的研究积累，首次将三叶结分子这一类具有高构型稳定性、多重受限手性环境以及动态可调性等特性的拓扑手性体系应用于自旋过滤研究中（图1）。首先通过磁导原子力显微镜 (mCP-AFM) 监测了自旋极化电子通过拓扑手性三叶结分子的输运行为。实验发现，Λ手性三叶结分子选择性输运探针磁化方向向上时的自旋极化电流，而Δ手性三叶结分子更易输运探针磁化方向向下时的自旋极化电流。表明电流通过拓扑手性三叶结分子存在显著的手性诱导自旋选择性（CISS）效应（图2）。其自旋过滤效率随薄膜的厚度增加而增加，薄膜厚度为20 nm时自旋极化效率达到88%，优于大部分手性自旋过滤材料。更为重要的是，三叶结分子在输运自旋极化电流时表现出优异的电导性。在1.5 V的电位下，Λ手性三叶结分子通过400 nA的电流，高于传统DNA分子两个数量级。基于拓扑手性的高稳定性，在350℃下退火2小时后三叶结分子仍能保持高效的自旋过滤能力，进一步提高了三叶结分子作为自旋过滤材料的应用潜力。
图1. (a) 自旋过滤材料的不同手性类型；(b) 拓扑手性三叶结分子的化学结构；(c) 拓扑手性三叶结分子的晶体结构。
图2. (a) mCP-AFM测试示意图；(b) Λ三叶结分子的电流-电压曲线；(c) Δ三叶结分子的电流-电压曲线；(d) Λ三叶结分子的自旋过滤效率；(e) Δ三叶结分子的自旋过滤效率；(f)自旋过滤效率的厚度依赖性测试。
研究团队使用单个铁磁电极与手性层代替传统的两个铁磁电极，在自旋阀装置中也研究了自旋选择性输运过程。在−1.0 T ~ 1.0 T的面外磁场下测量器件的电阻，MR%曲线表现出典型的不对称性质。基于Λ和Δ三叶结分子的器件，因相反的手性而表现出相反的MR%响应，表明自旋极化电子通过三叶结薄膜的传输是有选择性的。与传统自旋阀不同，基于CISS效应的自旋阀装置表现出MR%随温度的小幅增加，Λ手性三叶结在250 K时磁阻变化可达3%（图3）。瑞典乌普萨拉大学Jonas Fransson教授基于螺旋位点链模型，对三叶结分子的手性诱导自旋选择电流输运过程进行了理论计算。计算结果表明两种磁化方向的电流明显不同，并表现出优异的自旋极化效率，从而验证了电子-电子散射在该体系自旋输运中的可能贡献（图4）。
图3. (a) 四探针隧道结器件示意图；(b) Λ三叶结分子的磁阻曲线；(c) Δ三叶结分子的磁阻曲线；(d) Λ三叶结分子的磁阻-温度曲线；(e) Δ三叶结分子的磁阻-温度曲线。
图4. 拓扑手性三叶结分子的理论计算电流与自旋极化效率
通过领衔跨学科国际合作，Im体育官网app学者首次将拓扑手性应用于电子自旋选择性输运研究，研究团队发现拓扑手性三叶结表现出高自旋过滤效率、高导电性及高热稳定性，为发展高效、稳定的有机自旋过滤材料和构筑室温自旋电子器件提供了重要的思路。
该成果的第一作者是Im体育官网app化学与分子工程学院博士研究生张丹阳，第一通讯单位是Im体育官网app。该工作得到了Im体育官网app幸福之花项目、国家自然科学基金手性重大研究计划重点项目以及上海类脑智能材料与器件研究中心等支持。
附：
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08966
来源｜化学与分子工程学院、科技处 编辑｜窦雨萧 编审｜郭文君
