Toen de Duitse mineraloog Gustav Rose in 1839 op de hellingen van het Russische Oeralgebergte stond en een stuk van een voorheen onontdekt mineraal opraapte, hij had nog nooit van transistors of diodes gehoord en had ook geen idee hoe conventionele elektronica een integraal onderdeel van ons dagelijks leven zou worden. Hij had niet kunnen vermoeden dat de rots die hij in zijn hand hield, die hij "perovskiet, " zou een sleutel kunnen zijn tot een revolutie in de elektronica zoals we die kennen.

in 2017, Natuurkundige Valy Vardeny van de Universiteit van Utah noemde perovskiet een 'wondermateriaal' voor een opkomend gebied van elektronica van de volgende generatie. genaamd spintronica, en hij blijft bij die bewering. In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Vardeny, samen met Jingying Wang, Dali Sun (nu aan de North Carolina State University) en collega's presenteren twee apparaten die zijn gebouwd met perovskiet om het potentieel van het materiaal in spintronische systemen te demonstreren. zijn eigenschappen, Vardeny zegt, brengen de droom van een spintronische transistor een stap dichter bij de realiteit.

Spintronica

Een conventioneel digitaal elektronisch systeem brengt een binair signaal (denk enen en nullen) over via pulsen van elektronen die door een geleidende draad worden gedragen. Spintronica kan aanvullende informatie overbrengen via een ander kenmerk van elektronen, hun draairichting (denk omhoog of omlaag). Spin is gerelateerd aan magnetisme. Dus spintronica gebruikt magnetisme om elektronen van een bepaalde spin uit te lijnen, of "injecteer" spin in een systeem.

Als je ooit het oude wetenschappelijke experiment hebt gedaan om een ​​spijker in een magneet te veranderen door een magneet herhaaldelijk over zijn lengte te slepen, dan heb je al gedobbeld in spintronica. De magneet geeft informatie door aan de nagel. De truc is dan om die informatie te transporteren en te manipuleren, waarvoor apparaten en materialen met fijn afgestemde eigenschappen nodig zijn. Onderzoekers werken aan de mijlpaal van een spintransistor, een spintronica-versie van de elektronische componenten die in vrijwel alle moderne elektronica voorkomen. Zo'n apparaat vereist een halfgeleidermateriaal waarin een magnetisch veld gemakkelijk de richting van de spin van elektronen kan manipuleren - een eigenschap die spin-baankoppeling wordt genoemd. Het is niet eenvoudig om zo'n transistor te bouwen, zegt Wang. "We blijven zoeken naar nieuwe materialen om te kijken of ze daarvoor beter geschikt zijn."

Hier komen perovskieten in het spel.

Perovskieten

Perovskieten zijn een klasse van mineralen met een bepaalde atomaire structuur. Hun waarde als technologisch materiaal is pas de afgelopen 10 jaar duidelijk geworden. Door die atomaire structuur, onderzoekers hebben perovskiet ontwikkeld tot een materiaal voor het maken van zonnepanelen. In 2018 hadden ze een efficiëntie bereikt van maximaal 23 procent van de zonne-energie die werd omgezet in elektrische energie - een grote stijging ten opzichte van 3,8 procent in 2009.

Ondertussen, Vardeny en zijn collega's onderzochten de mogelijkheden van spintronica en de verschillende materialen die effectief zouden kunnen zijn bij het overbrengen van spin. Vanwege de zware loodatomen in perovskiet, natuurkundigen voorspelden dat het mineraal een sterke spin-baankoppeling kan hebben. In een artikel uit 2017 Vardeny en natuurkunde-assistent-professor Sarah Li toonden aan dat een klasse van perovskieten, organisch-anorganische hybride perovskieten genaamd, inderdaad een grote spin-baankoppeling bezitten. Ook, de levensduur van spin die in de hybride materialen werd geïnjecteerd, duurde relatief lang. Beide resultaten suggereerden dat dit soort hybride perovskiet veelbelovend was als spintronica-materiaal.

Twee spintronic-apparaten

De volgende stap, die Vardeny en Wang bereikten in hun recente werk, was om hybride perovskiet op te nemen in spintronische apparaten. Het eerste apparaat is een spintronic light-emitting diode, of led. De halfgeleider in een traditionele LED bevat elektronen en gaten - plaatsen in atomen waar elektronen zouden moeten zijn, maar zijn niet. Wanneer elektronen door de diode stromen, ze vullen de gaten en stralen licht uit.

Wang zegt dat een spintronische LED ongeveer hetzelfde werkt, maar met een magnetische elektrode, en met elektronengaten gepolariseerd om elektronen van een bepaalde spin op te nemen. De LED lichtte op met circulair gepolariseerde elektroluminescentie, Wang zegt, waaruit blijkt dat de magnetische elektrode met succes spin-gepolariseerde elektronen in het materiaal heeft overgebracht.

"Het is niet vanzelfsprekend dat als je een halfgeleider en een ferromagneet samenvoegt, je een spin-injectie krijgt, "Vardeny voegt eraan toe. "Je moet het bewijzen. En dat hebben ze bewezen."

Het tweede apparaat is een spinventiel. Soortgelijke apparaten bestaan ​​al en worden gebruikt in apparaten zoals harde schijven van computers. In een spinventiel, een extern magnetisch veld verandert de polariteit van magnetische materialen in de klep tussen een open, lage weerstand staat en een gesloten, staat met hoge weerstand.

De spinklep van Wang en Vardeny doet meer. Met hybride perovskiet als materiaal van het apparaat, de onderzoekers kunnen spin in het apparaat injecteren en vervolgens de spin laten preceseren, of wiebelen, binnen het apparaat met behulp van magnetische manipulatie.

Dat is een groot probleem, zeggen de onderzoekers. "Je kunt spintronica ontwikkelen die niet alleen handig is voor het vastleggen van informatie en dataopslag, maar ook rekenen, Wang zegt. "Dat was een eerste doel voor de mensen die het veld van spintronica begonnen, en daar zijn we nog mee bezig."

Bij elkaar genomen, deze experimenten tonen aan dat perovskiet werkt als een spintronische halfgeleider. Het uiteindelijke doel van een op spin gebaseerde transistor is nog enkele stappen verwijderd, maar deze studie legt een belangrijke basis voor de weg die voor ons ligt.

"Wat we hebben gedaan, is bewijzen dat wat mensen dachten dat mogelijk was met perovskiet, ook echt gebeurt, ' zegt Vardeny. 'Dat is een grote stap.'