Een team onder leiding van de Universiteit van Utah heeft ontdekt dat een klasse van 'wondermaterialen', organisch-anorganische hybride perovskieten genaamd, een doorbraak zou kunnen zijn voor toekomstige spintronische apparaten.

Spintronica gebruikt de richting van de elektronenspin - omhoog of omlaag - om informatie in enen en nullen te dragen. Een spintronisch apparaat kan exponentieel meer gegevens verwerken dan traditionele elektronica die de eb en vloed van elektrische stroom gebruikt om digitale instructies te genereren. Maar natuurkundigen hebben geworsteld om spintronische apparaten te realiseren.

De nieuwe studie, vandaag online gepubliceerd in Natuurfysica , is de eerste die aantoont dat organisch-anorganische hybride perovskieten een veelbelovende materiaalklasse zijn voor spintronica. De onderzoekers ontdekten dat de perovskieten twee tegenstrijdige eigenschappen hebben die nodig zijn om spintronische apparaten te laten werken:de spin van de elektronen kan gemakkelijk worden gecontroleerd, en kan ook de draairichting lang genoeg behouden om informatie te transporteren, een eigenschap die bekend staat als spin-levensduur.

"Het is een apparaat dat mensen altijd al wilden maken, maar er zijn grote uitdagingen bij het vinden van een materiaal dat kan worden gemanipuleerd en, tegelijkertijd, een lange levensduur hebben, " zegt Sarah Li, assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de U en hoofdauteur van de studie. "Maar voor dit materiaal het is de eigenschap van het materiaal zelf dat aan beide voldoet."

Het wondermateriaal

Organisch-anorganische hybride perovskieten zijn al beroemd in wetenschappelijke kringen omdat ze verbazingwekkend efficiënt zijn in het omzetten van zonlicht in elektriciteit.

"Het is ongelooflijk. Een wondermateriaal, " zegt Z. Valy Vardeny, vooraanstaand professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde en co-auteur van de studie, wiens laboratorium perovskiet-zonnecellen bestudeert. "Over een paar jaar zonnecellen op basis van dit materiaal hebben een rendement van 22 procent. En nu heeft het deze spin-levensduureigenschap. Het is fantastisch."

De chemische samenstelling van het materiaal is een onwaarschijnlijke kandidaat voor spintronica, echter. Het hybride perovskiet anorganische frame is gemaakt van zware elementen. Hoe zwaarder het atoom, hoe gemakkelijker het is om de elektronenspin te manipuleren. Dat is goed voor spintronica. Maar ook andere krachten beïnvloeden de spin. Als de atomen zwaar zijn, je neemt aan dat de spin-levensduur kort is, legt Li uit.

"De meeste mensen in het veld zouden niet denken dat dit materiaal een lange spinlevensduur heeft. Het is verrassend voor ons, te, " zegt Li. "De exacte reden hebben we nog niet ontdekt. Maar het is waarschijnlijk een intrinsieke, magische eigenschap van het materiaal zelf."

Spintronica:dat magnetische moment waarop...

Telefoons, computers en andere elektronica hebben siliciumtransistors die de stroom van elektrische stromen regelen als kleine dammen. Naarmate apparaten compacter worden, transistors moeten de elektrische stroom in steeds kleinere ruimtes aan.

"De siliciumtechnologie, alleen gebaseerd op de elektronenlading, bereikt zijn limiet, " zegt Li, "De maat van de draad is al klein. Als het kleiner wordt, het gaat niet werken op een klassieke manier die je bedenkt."

"Mensen dachten 'Hoe vergroten we de hoeveelheid informatie op zo'n klein gebied?'", voegt Vardeny toe. "Wat doen we om deze limiet te overschrijden?"

"Spintronica, " antwoordt natuurkunde.

Spintronica gebruikt de spin van het elektron zelf om informatie te vervoeren. Elektronen zijn in feite kleine magneten die rond de kern van een element draaien. Net zoals de aarde een eigen oriëntatie heeft ten opzichte van de zon, elektronen hebben hun eigen spinoriëntatie ten opzichte van de kern die in twee richtingen kan worden uitgelijnd:"Omhoog, " wat staat voor een, en neer, " wat een nul voorstelt. Natuurkundigen relateren het "magnetische moment" van het elektron aan zijn spin.

Door spin toe te voegen aan traditionele elektronica, je kunt exponentieel meer informatie verwerken dan ze klassiek te gebruiken op basis van minder of meer lading.

"Met spintronica, heb je niet alleen enorm veel meer informatie, maar je bent niet beperkt door de grootte van de transistor. De limiet in grootte is de grootte van het magnetische moment dat je kunt detecteren, die veel kleiner is dan de grootte van de transistor tegenwoordig, ' zegt Vardeny.

Het experiment om elektronenspin af te stemmen

Het stemmen van een elektronenspin is als het stemmen van een gitaar, maar met een laser en veel spiegels.

Eerst, de onderzoekers vormden een dunne film van het hybride perovskiet methyl-ammonium loodjodium (CH3NH3PbI3) en plaatsten dit voor een ultrasnelle laser die 80 miljoen keer per seconde zeer korte lichtpulsen afschiet. De onderzoekers zijn de eersten die licht gebruiken om de spin-oriëntatie van het elektron te bepalen en de spin-precessie in dit materiaal te observeren.

Ze splitsten de laser in twee stralen; de eerste raakte de film om de elektronenspin in de gewenste richting te zetten. De tweede straal buigt als een flipperkast door een reeks spiegels voordat hij de perovskietfilm met toenemende tijdsintervallen raakt om te meten hoe lang het elektron de spin in de voorbereide richting vasthield.

Ze ontdekten dat de perovskiet een verrassend lange spin-levensduur heeft - tot nanoseconde. De spin draait vele malen gedurende één nanoseconde, wat betekent dat in die tijd veel informatie gemakkelijk kan worden opgeslagen en gemanipuleerd.

Toen ze eenmaal de lange levensduur van de spin hadden bepaald, de onderzoekers testten hoe goed ze de spin konden manipuleren met een magnetisch veld.

"De spin is als het kompas. Het kompas draait in dit magnetische veld loodrecht op dat kompas, en uiteindelijk zal het stoppen met draaien, " zegt Li. "Stel dat je de spin op 'omhoog' zet, ' en dat noem je 'een'. Als je het blootstelt aan het magnetische veld, de spin verandert van richting. Als het 180 graden is gedraaid, het verandert van één in nul. Als het 360 graden draait, het gaat van één naar één."

Ze ontdekten dat ze de spin meer dan 10 windingen konden laten draaien door het elektron bloot te stellen aan verschillende sterkten van het magnetische veld.

Het potentieel van dit materiaal is enorm, zegt Vardeny. Het zou gegevens sneller kunnen verwerken en het willekeurig toegankelijke geheugen kunnen vergroten.

"Ik zeg het je, het is een wondermateriaal, ' zegt Vardeny.