De volgende generatie informatietechnologie zou kunnen profiteren van spintronica - elektronica die de minuscule magnetische velden gebruikt die afkomstig zijn van draaiende elektronen en de elektrische ladingen van de elektronen zelf - voor snellere, kleinere elektronische apparaten die minder energie verbruiken.

Nieuw gepubliceerd werk van wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory en de University of Utah kan een rol spelen in het toekomstige succes van op spin gebaseerde elektronica. Ze hebben aangetoond dat het transport van elektronen met een bepaalde spintoestand door een tweedimensionale hybride organisch-anorganische perovskiet kan worden gemanipuleerd door speciale organische moleculen in de meerlaagse structuur te introduceren. Deze zijn chiraal, wat betekent dat ze de ene elektronenheliciteit verkiezen boven de andere.

Het nieuwe papier, "Spin-afhankelijk ladingstransport door 2-D chirale hybride loodjodide-perovskieten, " verschijnt in het journaal wetenschappelijke vooruitgang . De onderzoekers werkten samen onder de paraplu van het Centre for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie, Basis energiewetenschappen.

Haipeng Lu, een postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Matthew C. Beard, een senior research fellow bij NREL en directeur van CHOISE, en Z. Valy Vardeny, Distinguished Professor in de natuurkunde van de U, zijn hoofdauteurs van het artikel.

"We ontdekten dat de meerlaagse structuur fungeert als een natuurlijk spinfilter, die kan worden gebruikt om spin-uitgelijnde elektronen in actieve lagen te injecteren zonder dat een extern magnetisch veld nodig is. Dit is het begin van een nieuw paradigma van spintronica zonder magnetisch veld, ' zei Vardeny.

Een elektron kan "up" of "down" spins hebben, en elektronen met tegengestelde spins kunnen dezelfde elektronische toestand innemen. De belangrijkste uitdaging in een spintronisch apparaat is om de spin-gepolariseerde elektronendichtheid te regelen; dat is, om het aantal elektronen te manipuleren met goed gedefinieerde spintoestanden. Op spin gebaseerde kwantumcomputers, bijvoorbeeld, vereist het vermogen om deze individuele spintoestanden te beheersen en aan te pakken. Een manier om spin-gepolariseerde stromen te regelen is door middel van "chiraal-geïnduceerde spin-selectiviteit, " waarbij het transport van elektronen met "omhoog" of "omlaag" spintoestanden afhangt van de chiraliteit van de transporterende materialen - een structurele eigenschap van een systeem waarvan het spiegelbeeld niet op zichzelf kan worden geplaatst. Bijvoorbeeld, een "linkshandig" georiënteerd chiraal systeem kan transport van elektronen met "omhoog" spins mogelijk maken, maar elektronen blokkeren met "omlaag" spins en vice versus.

De wetenschappers hebben aangetoond hoe een chiraal organisch subrooster kan worden geïntegreerd in een anorganisch raamwerk, het creëren van een chiraal systeem dat elektronen kan transporteren met de gewenste spincontrole. Deze hybride organische/anorganische gelaagde perovskieten geven er de voorkeur aan om één spintoestand uit te voeren, afhankelijk van de "handigheid" van chirale organische moleculen. Dus, de chirale perovskietfilms werken als een spinfilter.

Dit werk opent de deur voor toekomstige spintronische apparaten op basis van chirale perovskiet-spinfilters.

Het onderzoek bouwt voort op een toevallige ontdekking die Beard's team enkele jaren geleden deed dat perovskietmaterialen een efficiënt optisch Stark-effect vertonen bij kamertemperatuur. Het effect kan worden gebruikt om individuele spintoestanden te regelen of aan te pakken met behulp van optische lichtpulsen. Terwijl spin-opto-elektronische apparaten op basis van hybride organisch-anorganische perovskieten theoretisch zijn voorgesteld, Vardeny en zijn collega-onderzoekers van de Universiteit van Utah kondigden eerder dit jaar aan dat ze dergelijke apparaten konden demonstreren, waaronder spin-kleppen en spin-LED's.

De hier ontwikkelde spinfilters zijn een ander onderdeel van op perovskiet gebaseerde spintronische toepassingen.

CHOISE zorgde voor de financiering via het Amerikaanse ministerie van Energie, Office of Basic Energy Sciences als onderdeel van een Energy Frontier Research Center.