Filtr „Cud” zamienia kupowane w sklepie diody LED w urządzenia spintroniczne

Tradycyjna elektronika wykorzystuje półprzewodniki do przesyłania danych poprzez impulsy naładowanych nośników (elektronów lub dziur), aby przekazywać wiadomości w postaci „jedynek” i „0”. Urządzenia spintroniczne mogą przetwarzać o rząd wielkości więcej informacji, przypisując kod binarny do orientacji biegunów magnetycznych elektronów, co jest właściwością znaną jako spin — spin „w górę” to 1, a „w dół” to 0.

Główną barierą dla komercyjnej spintroniki jest ustawienie i utrzymanie orientacji spinu elektronu. Większość urządzeń dostraja orientację spinu za pomocą ferromagnetyków i pól magnetycznych, co jest procesem uciążliwym i zawodnym. Dziesięciolecia badań wykazały, że nośniki tracą swoją orientację spinową, przechodząc z materiałów o wysokiej przewodności do materiałów o niskiej przewodności — na przykład od metalicznych ferromagnetyków po niedomieszkowany krzem i materiały ze sprzężonych polimerów, z których składa się większość nowoczesnych półprzewodników.

Po raz pierwszy naukowcy przekształcili istniejące urządzenia optoelektroniczne w takie, które mogą kontrolować spin elektronów w temperaturze pokojowej, bez ferromagnesu i pola magnetycznego.

Większość urządzeń optoelektronicznych, takich jak diody LED, kontroluje jedynie ładunek i światło, ale nie kontroluje spin elektronów. W nowym badaniu prowadzonym przez fizyków i badaczy z Uniwersytetu Utah w Narodowym Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) zastąpiono elektrody sprzedawanych w sklepach diod LED opatentowanym filtrem wirowym wykonanym z hybrydowego organicznego i nieorganicznego materiału perowskitu halogenkowego. Diody LED wytwarzały światło spolaryzowane kołowo, co stanowiło charakterystyczny znak, że filtr wstrzyknął elektrony o ustawionym spinie do istniejącej infrastruktury półprzewodnikowej diod LED, co stanowi ogromny krok naprzód w technologii spintroniki.

„To cud. Przez dziesięciolecia nie byliśmy w stanie skutecznie wstrzykiwać elektronów o ustawionym spinie do półprzewodników z powodu niedopasowania metalicznych ferromagnetyków i półprzewodników niemagnetycznych” – powiedział Valy Vardeny, wybitny profesor na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu im. U. i współautorka artykułu. „Wszystkie rodzaje urządzeń wykorzystujących spin i optoelektronikę, takie jak spin-LED czy pamięć magnetyczna, będą zachwycone tym odkryciem”.

Badanie było opublikowany w dzienniku Natura 19 czerwca 2024 r.

Filtry wirujące

W 2021 roku ci sami współpracownicy opracowali technologię, która działa jak aktywny filtr spinowy wykonany z dwóch kolejnych warstw materiału, zwany chiralnymi hybrydowymi organiczno-nieorganicznymi perowskitami halogenkowymi. Chiralność opisuje symetrię cząsteczki, w której jej lustrzane odbicie nie może zostać nałożone na siebie. Klasycznym przykładem są ludzkie ręce; trzymaj ręce wyciągnięte, dłonie skierowane na zewnątrz. Prawa i lewa dłoń są dla siebie jak lustra — możesz obrócić prawą rękę o 180°, aby dopasować ją do sylwetki, ale teraz prawa dłoń jest zwrócona w twoją stronę, a lewa jest odwrócona. Nie są takie same.

Niektóre cząsteczki, takie jak DNA, cukier i warstwy chiralnych hybrydowych perowskitów organiczno-halogenkowych, mają atomy ułożone w chiralnej symetrii. Filtr działa poprzez wykorzystanie warstwy chiralnej zorientowanej „lewoskrętnie”, aby umożliwić przepływ elektronów o spinach „w górę”, ale blokować elektrony o spinach „w dół” i odwrotnie. Naukowcy twierdzili wówczas, że odkrycie można wykorzystać do przekształcenia konwencjonalnej optoelektroniki w urządzenia spintroniczne, po prostu włączając chiralny filtr spinowy. Nowe badanie właśnie to wykazało.

„Wzięliśmy z półki diodę LED. Wyjęliśmy jedną elektrodę i włożyliśmy materiał filtra wirowego, a na drugą zwykłą elektrodę. I voila! Światło było silnie spolaryzowane kołowo” – powiedział Vardeny.

Chemicy z NERL wyprodukowali spinowe diody LED, układając kilka warstw, każda o określonych właściwościach fizycznych. Pierwsza warstwa to zwykła przezroczysta elektroda metaliczna; Materiał drugiej warstwy blokuje elektrony mające spin w złym kierunku, warstwę, którą autorzy nazywają filtrem spinowym indukowanym chiralnością.

Elektrony o ustawionym spinie łączą się następnie ponownie w trzeciej warstwie, standardowym półprzewodniku używanym jako warstwa aktywna w zwykłych diodach LED. Wstrzyknięte elektrony o wyrównanym spinie powodują, że ta warstwa wytwarza fotony, które poruszają się zgodnie po spiralnej ścieżce, a nie po konwencjonalnym wzorze fal, w celu wytworzenia charakterystycznej dla diody LED elektroluminescencji spolaryzowanej kołowo,

„Ta praca pokazuje wyjątkową i potężną zdolność tych powstających półprzewodników „hybrydowych” do łączenia i wykorzystywania wzajemnego oddziaływania odrębnych właściwości układów organicznych i nieorganicznych” – powiedział Matthew Beard, współautor badania NREL. „W tym przypadku chiralność jest zapożyczona z cząsteczek organicznych i zapewnia kontrolę nad spinem, podczas gdy składnik nieorganiczny zarówno orientuje składnik organiczny, jak i zapewnia przewodnictwo lub kontrolę nad ładunkiem”.

Po zainstalowaniu filtra w standardowej diodzie LED Xin Pan, asystent naukowy na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego, potwierdził, że urządzenie działa zgodnie z przeznaczeniem, czyli wykorzystując elektrony o ustawionym spinie. Jednakże potrzebne są dalsze badania, aby wyjaśnić dokładne mechanizmy tworzące spolaryzowane spiny.

„To pytanie za 64 000 dolarów, na które musi odpowiedzieć teoretyk” – powiedział Vardeny. „To naprawdę cud. A cud zachodzi bez znajomości dokładnego mechanizmu leżącego u jego podstaw. Na tym właśnie polega piękno bycia eksperymentatorem. Po prostu spróbuj”.

Autorzy twierdzą, że inni naukowcy mogą zastosować tę technikę przy użyciu innych materiałów chiralnych, takich jak DNA, w wielu kontekstach.