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

Chiralny filtr spinowy, wykonany z hybrydowego organiczno-nieorganicznego materiału perowskitu halogenkowego, umożliwił konwencjonalnym diodom LED manipulowanie orientacją spinu elektronów w temperaturze pokojowej bez konieczności stosowania ferromagnesów lub pola magnetycznego, co pokonywało główną barierę dla komercyjnej spintroniki.

Ostatnie postępy w spintronice doprowadziły do ​​opracowania zmodyfikowanych diod LED, które kontrolują spin elektronów bez ferromagnetyków i pól magnetycznych, przy użyciu nowego filtra spinowego wykonanego z chiralnych hybrydowych organiczno-nieorganicznych perowskitów halogenkowych. Technologia ta, pozwalająca na bardziej wydajne przetwarzanie danych poprzez przypisanie wartości binarnych stanom spinu elektronów, stanowi znaczący krok naprzód w integracji spintroniki z istniejącymi technologiami półprzewodników.

Tradycyjne zastosowanie elektroniki półprzewodniki do przesyłania danych przy użyciu impulsów naładowanych nośników (elektronów lub dziur) do reprezentowania wiadomości w postaci „1” i „0”. Z kolei urządzenia spintroniczne mogą obsłużyć znacznie więcej informacji, przypisując kod binarny na podstawie orientacji biegunów magnetycznych elektronów, co jest właściwością znaną jako spin. Obrót w górę oznacza 1, a obrót w dół oznacza 0.

Główną barierą dla komercyjnej spintroniki jest ustawienie i utrzymanie orientacji spinu elektronu. Większość urządzeń dostraja orientację spinu za pomocą ferromagnesów i pól magnetycznych, co jest procesem uciążliwym i zawodnym. Dziesięciolecia badań wykazały, że nośniki tracą 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 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 Kalifornijskiego i współautor: autor artykułu. „Wszystkie rodzaje urządzeń wykorzystujących spin i optoelektronikę, takie jak spin-LED czy pamięć magnetyczna, będą zachwycone tym odkryciem”.

Wyniki badania opublikowano niedawno w czasopiśmie Natura.

Filtry wirujące

W 2021 roku ci sami współpracownicy opracował technologię który działa jak aktywny filtr spinowy wykonany z dwóch kolejnych warstw materiału, zwanych 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, np DNA, cukier i warstwy chiralnych hybrydowych perowskitów organicznych i halogenkowych, mają atomy ułożone w chiralnej symetrii. Filtr działa w oparciu o „lewoskrętną” warstwę chiralną, która umożliwia przepływ elektronów o spinach „w górę”, ale blokuje 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. Usunęliśmy jedną elektrodę i umieściliśmy materiał filtra wirowego oraz kolejną 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 ustawionym spinie powodują, że ta warstwa wytwarza fotony, które poruszają się zgodnie po spiralnej ścieżce, a nie po konwencjonalnym układzie 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 przewodność 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 polega na tym, że nie znamy dokładnego mechanizmu leżącego u jego podstaw. Na tym 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.

Odniesienie: „Wstrzyknięcie spinu w temperaturze pokojowej przez chiralny perowskit/interfejs III – V” autorstwa Matthew P. Hautzingera, Xin Pan, Stevena C. Haydena, Jiselle Y. Ye, Qi Jiang, Mickey J. Wilson, Alan J. Phillips, Yifan Dong, Emily K. Raulerson, Ian A. Leahy, Chun-Sheng Jiang, Jeffrey L. Blackburn, Joseph M. Luther, Yuan Lu, Katherine Jungjohann, Z. Valy Vardeny, Joseph J. Berry, Kirstin Alberi i Matthew C. Broda, 19 czerwca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4

Prace były wspierane przez Centrum Badań nad Hybrydowymi Organicznymi Nieorganicznymi Półprzewodnikami dla Energii (CHOISE) Energy Frontier Research Centre przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych oraz francuską Narodową Agencję Badań.