Les chercheurs montrent que les catalyseurs à base d'oxyde chiral alignent le spin des électrons.
Des chercheurs de Münster et de Pittsburgh recherchent les causes de la polarisation du spin dans ces matériaux.
Le contrôle du spin des électrons ouvre des perspectives d'applications dans l'électronique basée sur le spin (spintronique), par exemple dans le traitement des données. Elle offre également de nouvelles possibilités pour contrôler la sélectivité et l'efficacité des réactions chimiques. Les chercheurs ont récemment présenté les premiers succès obtenus avec l'exemple de la division de l'eau pour produire de l'hydrogène et de l'oxygène "verts". Un projet commun impliquant des groupes de travail du Centre pour les nanosciences douces de l'université de Münster et de l'Institut de chimie de l'université de Pittsburgh (Pennsylvanie, États-Unis ; Prof. David Waldeck) a maintenant pour mission de faire progresser le développement systématique de matériaux catalytiques sélectifs de spin. À cette fin, les chercheurs établissent un lien entre l'activité catalytique de divers matériaux inorganiques à polarisation de spin et les mesures directes de la sélectivité de spin. L'accent est mis sur les matériaux d'oxyde qui ont été cultivés à dessein avec une structure chirale. En outre, les chercheurs souhaitent également étudier l'origine de la polarisation de spin dans ces matériaux chiraux. Les résultats d'une première étude sur les couches d'oxyde de cuivre chiral ont été publiés dans la revue "ACS Nano".
Le physicien Paul Möllers prépare le positionnement correct d'un échantillon dans la chambre à vide à laquelle est relié le polarimètre à spin.
© WWU - Tobias Reiker
Les résultats en bref
L'équipe de chercheurs allemands et américains a d'abord examiné des catalyseurs d'oxydes chiraux - consistant dans ce cas en de fines couches d'oxyde de cuivre chiral sur un mince film d'or. Les données mesurées montrent que la polarisation du spin des électrons dépend de la couche d'où proviennent les électrons. L'équipe considère que deux effets sont responsables de ce phénomène : l'effet de sélectivité de spin induit par la chiralité (CISS) et l'arrangement magnétique dans les couches chirales. Les résultats doivent aider à la production future de matériaux d'oxydes catalytiques sélectifs en spin, améliorant ainsi l'efficacité des réactions chimiques.
L'exemple des piles à combustible : le spin indésirable des électrons réduit le rendement
Explication du contexte : L'exemple suivant montre pourquoi le spin électronique est important. Dans les piles à combustible, l'hydrogène et l'oxygène réagissent l'un avec l'autre pour former de l'eau, ce qui libère de l'énergie électrique. L'hydrogène peut avoir été produit auparavant par le processus inverse, en décomposant les molécules d'eau en hydrogène et en oxygène. L'énergie nécessaire à ce processus peut être fournie par l'énergie électrique provenant de sources d'énergie régénératives ou directement par la lumière du soleil, de sorte qu'à l'avenir, l'hydrogène pourrait servir de source d'énergie dans un cycle énergétique conçu pour êtreneutre en CO2.
Ce qui fait obstacle à une commercialisation à grande échelle du concept - par exemple, dans les véhicules électriques fonctionnant avec des piles à combustible - est, entre autres, le faible rendement. Une grande quantité d'énergie doit être utilisée pour décomposer les molécules d'eau, ce qui signifie qu'il est actuellement moins coûteux d'utiliser cette énergie directement pour recharger une batterie de voiture. Cette faible efficacité dans la décomposition des molécules d'eau est une conséquence non seulement de la haute surtension nécessaire pour développer l'oxygène à l'anode de la cellule d'électrolyse, mais aussi de la production de sous-produits indésirables tels que le peroxyde d'hydrogène et l'oxygène excité électroniquement. En raison de leur grande réactivité, ces sous-produits peuvent également attaquer le matériau de l'électrode. Les deux sous-produits apparaissent dans un état dit singulet, dans lequel les spins des électrons impliqués dans les liaisons moléculaires sont alignés de manière antiparallèle les uns par rapport aux autres. Dans le produit voulu par la réaction - l'oxygène dans l'état électronique fondamental - ce n'est pas le cas car il forme un état triplet avec des spins alignés en parallèle, et donc la génération d'une seule direction de spin permet d'arriver à cet état voulu de l'oxygène.
Nouvelle approche : un oxyde catalyseur produit le spin électronique souhaité
Il s'agit d'une nouvelle approche, car elle implique que les spins des radicaux adsorbés sur les surfaces des catalyseurs, à partir desquels les sous-produits sont formés, soient alignés en parallèle. Un tel alignement parallèle des spins des électrons peut être obtenu en utilisant un matériau chiral. Dans ce cas, le transfert d'électrons à travers les électrodes en conséquence de l'effet CISS, ou par le changement structurel de l'oxyde, peut être sélectif du spin. En conséquence, la formation de molécules dans l'état singulet indésirable est supprimée et le rendement en hydrogène est augmenté.
Bien que les chercheurs aient réussi à démontrer la catalyse sélective de spin, l'origine de l'effet CISS n'est toujours pas complètement comprise. La transmission sélective du spin des électrons à travers des molécules hélicoïdales - et donc également chirales - a été démontrée. Cependant, des études plus récentes montrent que la transmission sélective de spin se produit également dans des matériaux inorganiques, non moléculaires et chiraux. Les surfaces inorganiques filtrant le spin sont plus stables, chimiquement, que les couches moléculaires chirales et permettent des densités de courant plus importantes dans le contexte de la catalyse sélective de spin.
L'étude actuelle en détail
Dans l'étude qui vient d'être publiée, l'auteur principal, Paul Möllers, doctorant à l'université de Münster, a examiné des films d'oxyde de cuivre chiral d'une épaisseur de quelques nanomètres seulement, qui avaient été préalablement déposés par voie électrochimique sous une forme chirale sur de minces substrats d'or par des chercheurs de Pittsburgh. Des impulsions laser UV ont été utilisées pour stimuler les photoélectrons des échantillons et leur polarisation de spin moyenne a été mesurée (dans un polarimètre de spin basé sur la "diffusion de Mott"). Selon que les échantillons ont été frappés depuis la face avant recouverte d'oxyde ou depuis la face arrière, des électrons de différentes énergies ont été émis par le substrat en or ou par les films d'oxyde eux-mêmes, dans des proportions différentes. En corrélant la distribution d'énergie avec les valeurs de polarisation de spin mesurées, les chercheurs de Münster ont montré que les électrons des deux couches sont polarisés à des degrés différents.
Les électrons provenant du substrat d'or sont filtrés, en ce qui concerne leur spin, par l'effet CISS lorsqu'ils traversent la couche chirale. Les électrons de l'oxyde de cuivre chiral présentent une polarisation de spin opposée et, dans le cas de films d'une épaisseur supérieure à 40 nanomètres, on observe une prépondérance de ces électrons d'oxyde de cuivre. Des mesures supplémentaires effectuées par le groupe de travail dirigé par le professeur Heiko Wende du département de physique de l'université de Duisburg-Essen suggèrent que cela reflète un arrangement magnétique dans les couches chirales qui n'est pas observé dans les films d'oxyde non chiral de même composition.
Afin d'approfondir cette hypothèse, le dispositif expérimental de Münster sera complété par la possibilité de mesurer la polarisation du spin des électrons en fonction de leur énergie. Dans le prolongement de l'étude publiée aujourd'hui, d'autres mesures sur des films d'oxyde de cuivre et de cobalt chiraux permettront non seulement de différencier clairement les deux mécanismes de polarisation, mais aussi de concevoir spécifiquement des matériaux catalytiques inorganiques chiraux sélectifs en spin.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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