東京科学大学（Science Tokyo） 理学院 化学系の黄柏融（コウ・ブォロン）助教と谷口耕治教授らの研究チーム、および東京大学物性研究所の浜根大輔技術専門職員は、「右手・左手」の性質に対応するキラリティを持つ分子を、層状半導体材料MoS₂の層間へ電気化学的に出し入れすることで、半導体のキラリティを繰り返し切り替えることに成功しました（図１）。さらに、その過程で半導体中を流れる電子のスピンの向きを制御できることを実証しました。

図1 層状半導体MoS₂の層間へキラル分⼦（キラルMepy+）を可逆的に挿⼊および脱離（インターカレーションおよびデインターカレーション）

キラリティの制御は、近年、物質中の電子スピンを制御する新しい手法として注目を集めています。特に、キラル物質が示す「キラリティ誘起スピン選択性（CISS）は、磁石を使わずにスピン偏極電流を生成できる可能性があることから、次世代スピントロニクスへの応用が期待されています。しかし従来、物質のキラリティは合成時に一度決まると、後から自由に付与・消失させることが難しく、物性制御のパラメータとして利用することはほとんどできませんでした。

本研究では、小さなサイズのキラル分子を用いることで、電気化学的に層状半導体の層間へ分子を挿入した際の結晶の歪み（ひずみ）が小さく抑えられることを見いだし、結晶構造を壊すことなく、キラル分子を繰り返し層状半導体へ出し入れできることを明らかにしました。さらに、キラル分子を挿入した際には、スピン偏極電流を発生するCISSが観測され、本来はアキラル（非キラル）な半導体内部にキラルな電子状態が形成されていることを見いだしました。

今回開発した手法では、キラル分子の挿入・脱離を電気化学的に可逆制御できるため、キラリティを介してスピン偏極電流の発生を任意に切り替えることが可能です。この性質を活かすことで、新しいキラルスピントロニクス材料の創出が期待されます。本研究成果は、磁石を用いずに電子スピンを制御する新原理の開拓につながるとともに、外部磁場や強磁性体に依存しない新しいスピントロニクス技術への展開が期待されます。

本成果は、5月17日付（現地時間）の「ACS Nano 」誌に掲載されました。

発表論文

• 掲載誌：ACS Nano
• タイトル：Reversible On–Off Switching of Chirality via Electrochemical Intercalation Control of Enantiopure Molecular Cations in a Layered van der Waals Material
• 著者：Po-Jung Huang, Hiroaki Kusunoki, Daisuke Nishio-Hamane, Kouji Taniguchi
• DOI：10.1021/acsnano.6c04758