La electrónica tradicional utiliza semiconductores para transmitir datos mediante la explosión de portadores cargados (electrones o huecos) para enviar mensajes en “1” y “0”. Los dispositivos espintrónicos pueden procesar más información de magnitud asignando códigos binarios a la orientación de los polos magnéticos de los electrones, una propiedad conocida como espín: un espín “arriba” es 1, uno “abajo” es 0.
Un obstáculo importante en la espintrónica comercial es establecer y mantener la orientación del espín de los electrones. La mayoría de los dispositivos utilizan ferroimanes y campos magnéticos para ajustar la orientación del espín, un proceso engorroso y poco fiable. Décadas de investigación han demostrado que los portadores pierden su orientación de espín a medida que pasan de materiales de alta conductividad a otros de baja conductividad (por ejemplo, de los ferromagnetos metálicos al silicio no dopado y a los materiales poliméricos conjugados que componen la mayoría de los semiconductores modernos).
Por primera vez, los científicos han transformado los dispositivos optoelectrónicos existentes en dispositivos que pueden controlar el espín de los electrones a temperatura ambiente sin ferromagnetos ni campos magnéticos.
La mayoría de los dispositivos optoelectrónicos, como los LED, solo controlan la carga y la luz, pero no el espín de los electrones. El nuevo estudio, dirigido por físicos de la Universidad de Utah e investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), reemplazó los electrodos de los LED comprados en tiendas con un filtro giratorio patentado, hecho de un material híbrido de perovskita de haluro orgánico-inorgánico. Los LED producen luz polarizada circularmente, una señal reveladora de que el filtro ha inyectado electrones alineados con espín en la infraestructura semiconductora existente del LED, un gran paso adelante para la tecnología espintrónica.
“Esto es un milagro. Durante décadas, no hemos podido inyectar eficientemente electrones alineados con espín en semiconductores debido a la falta de coincidencia entre los ferroimanes metálicos y los semiconductores no magnéticos”, dijo Valli Verdeni, profesor distinguido del Departamento de Física y Astronomía. . U y coautor del artículo. “Este descubrimiento entusiasmará a todo tipo de dispositivos que utilizan espín y optoelectrónica, como LED de espín o memorias magnéticas”.
La investigación se publica en la revista. la naturaleza el 19 de junio de 2024.
filtro giratorio
En 2021, los mismos colaboradores desarrollaron una tecnología que funciona como un filtro giratorio activo hecho de dos capas consecutivas de un material, llamado perovskitas de haluros orgánicos-inorgánicos híbridos quirales. La quiralidad describe la simetría de una molécula, donde su imagen especular no puede superponerse a sí misma. El ejemplo clásico de la mano humana; Mantenga las palmas hacia afuera. Las manos derecha e izquierda están dispuestas como espejos entre sí: puedes girar la mano derecha 180° para que coincida con la silueta, pero ahora la palma derecha está frente a ti mientras que la palma izquierda está alejada. Ellos no son los mismos.
Algunas moléculas, como el ADN, el azúcar y las capas de perovskitas híbridas quirales de haluros orgánicos, tienen sus átomos dispuestos en simetría quiral. El filtro funciona utilizando una capa quiral orientada “a la izquierda” para permitir el paso de los electrones con espín “arriba”, pero bloquea los electrones con espín “abajo”, y viceversa. En aquel momento, los científicos afirmaron que la invención podría utilizarse para convertir la optoelectrónica convencional en dispositivos espintrónicos simplemente incorporando filtros de espín quirales. Una nueva investigación ha hecho precisamente eso.
“Sacamos un LED del estante. Quitamos un electrodo y colocamos un elemento de filtro giratorio y otro electrodo normal. ¡Y listo! La luz estaba altamente polarizada circularmente”, dijo Verdeni.
Los químicos de NERL crearon LED giratorios con varias capas, cada una con propiedades físicas específicas. La primera capa es un simple electrodo de metal transparente; Una segunda capa de material evita que los electrones giren en la dirección equivocada, una capa que los autores llaman filtro de espín inducido por quiralidad. Los electrones alineados con espín luego se recombinan en la tercera capa, un semiconductor estándar utilizado como capa activa en los LED normales. Esta capa de electrones inyectados alineados con espín crea fotones que se mueven juntos a lo largo de una trayectoria en espiral en lugar de un patrón de onda convencional, produciendo la electroluminiscencia polarizada circular característica del LED.
“Este trabajo demuestra la capacidad única y poderosa de estos semiconductores ‘híbridos’ emergentes para combinar y aprovechar la interacción de distintas propiedades de sistemas orgánicos e inorgánicos”, dijo Matthew Beard, coautor del estudio en NREL. “Aquí la quiralidad se toma prestada de las moléculas orgánicas y proporciona control sobre la rotación, mientras que el componente inorgánico dirige al componente orgánico y proporciona conductividad o control sobre la carga”.
Una vez que instalaron el filtro en un LED estándar, Jin Pan, asistente de investigación en el Departamento de Física y Astronomía de la U de U, confirmó que el dispositivo funcionaba según lo previsto mediante electrones alineados con espín. Sin embargo, se necesita más investigación para dilucidar el mecanismo exacto que interviene en la generación del espín polarizado.
“Esa es una pregunta que cuesta 64.000 dólares para que la responda un teórico”, dijo Verdeni. “Realmente es un milagro. Y el milagro ocurre sin conocer el mecanismo subyacente exacto. Así que esa es la belleza de ser experimental. Simplemente inténtalo”.
Los autores destacan que otros científicos pueden aplicar la técnica utilizando otros materiales quirales como el ADN en muchos contextos.