Badania prowadzone pod przewodnictwem naukowców z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) należącego do Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) przyniosły postępy, które mogą umożliwić stworzenie szerszej gamy obecnie niewyobrażalnych urządzeń optoelektronicznych.
Naukowcy, których poprzednia innowacja obejmowała włączenie warstwy perowskitu, która umożliwiła stworzenie nowego typu spolaryzowanej diody elektroluminescencyjnej (LED), która emituje fotony sterowane spinem w temperaturze pokojowej bez użycia pól magnetycznych lub kontaktów ferromagnetycznych, posunęli się teraz o krok dalej, integrując optoelektroniczną strukturę półprzewodnikową III-V z chiralnym półprzewodnikiem halogenkowym perowskitowym. Oznacza to, że przekształcili istniejącą komercyjną diodę LED w taką, która kontroluje również spin elektronów. Wyniki te stanowią ścieżkę do przekształcenia nowoczesnej optoelektroniki, dziedziny, która opiera się na kontroli światła i obejmuje diody LED, ogniwa słoneczne i lasery telekomunikacyjne, między innymi urządzenia.
„To, gdzie to może się potoczyć lub gdzie to może się skończyć, zależy od wyobraźni” — powiedział Matthew Beard, starszy pracownik naukowy w NREL i współautor niedawno opublikowanego artykułu w Nature, „Room temperature spin injection across a chiral-perovskite/III-V interface”.
Beard pełni również funkcję dyrektora Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), Energy Frontier Research Center finansowanego przez Office of Science Basic Energy Sciences w ramach DOE. Zgłoszone badania zostały sfinansowane przez CHOISE i opierały się na szerokim zakresie wiedzy naukowej zaczerpniętej z NREL, Colorado School of Mines, University of Utah, University of Colorado Boulder i Universite de Lorraine we Francji.
Celem CHOISE jest zrozumienie kontroli nad wzajemną przemianą ładunku, spinu i światła przy użyciu starannie zaprojektowanych systemów chemicznych. W szczególności praca koncentruje się na kontroli spinu elektronu, który może być „w górę” lub „w dół”. Większość obecnych urządzeń optoelektronicznych opiera się na wzajemnej przemianie ładunku i światła. Jednak spin jest inną właściwością elektronów, a kontrola nad spinem może umożliwić szeroki wachlarz nowych efektów i funkcjonalności. Naukowcy opublikowali artykuł w 2021 r., w którym opisali, w jaki sposób, używając dwóch różnych warstw perowskitu, byli w stanie kontrolować spin, tworząc filtr, który blokuje elektrony „kręcące się” w złym kierunku.
Postawili wówczas hipotezę, że można by dokonać postępu w optoelektronice, gdyby udało się im pomyślnie połączyć dwa półprzewodniki, a następnie poszli dalej i właśnie to zrobili. Przełomy, które się dokonały, w tym wyeliminowanie konieczności temperatur poniżej zera Celsjusza, można wykorzystać do zwiększenia prędkości przetwarzania danych i zmniejszenia ilości potrzebnej mocy.
„Większość obecnych technologii opiera się na kontrolowaniu ładunku” – powiedział Beard. „Większość ludzi po prostu zapomina o spinie elektronu, ale spin jest bardzo ważny i jest to również kolejny parametr, który można kontrolować i wykorzystywać”.
Manipulowanie spinem elektronów w półprzewodniku wymagało wcześniej użycia ferromagnetycznych styków pod przyłożonym polem magnetycznym. Wykorzystując chiralne perowskity, naukowcy byli w stanie przekształcić diodę LED w taką, która emituje spolaryzowane światło w temperaturze pokojowej i bez pola magnetycznego. Chiralność odnosi się do struktury materiału, której nie można nałożyć na jej odbicie lustrzane, takie jak dłoń. Na przykład „lewoskrętny” zorientowany układ chiralny może umożliwiać transport elektronów ze spinami „w górę”, ale blokować elektrony ze spinami „w dół” i odwrotnie. Spin elektronu jest następnie przekształcany na „spin” lub polaryzację emitowanego światła. Stopień polaryzacji, który mierzy intensywność światła spolaryzowanego w jednym kierunku, osiągnął około 2,6% w poprzednich badaniach. Dodanie półprzewodnika III-V — który jest wykonany z materiałów z trzeciej i piątej kolumny układu okresowego — zwiększyło polaryzację do około 15%. Stopień polaryzacji jest bezpośrednim pomiarem akumulacji spinów w diodzie LED.
„Ta praca jest dla mnie szczególnie ekscytująca, ponieważ łączy funkcjonalność spinu z tradycyjną platformą LED” — powiedział pierwszy autor pracy, Matthew Hautzinger. „Można kupić diodę LED analogiczną do tej, której używaliśmy, za 14 centów, ale dzięki chiralnemu perowskitowi przekształciliśmy już solidną (i dobrze zrozumianą) technologię w futurystyczne urządzenie do sterowania spinem”.