Light-emitting diodes (LED's) hebben een revolutie teweeggebracht in de beeldschermindustrie. LED's gebruiken elektrische stroom om zichtbaar licht te produceren zonder de overtollige warmte die wordt aangetroffen in traditionele gloeilampen, een gloed genaamd elektroluminescentie. Deze doorbraak leidde tot de oogverblindende, high-definition kijkervaring die we gewend zijn van onze schermen. Nutsvoorzieningen, een groep natuurkundigen en chemici heeft een nieuw type LED ontwikkeld dat spintronica gebruikt zonder dat een magnetisch veld nodig is, magnetische materialen of cryogene temperaturen; een 'kwantumsprong' die displays naar een hoger niveau zou kunnen tillen.

"De bedrijven die LED's of tv- en computerschermen maken, willen niet te maken hebben met magnetische velden en magnetische materialen. Het is zwaar en duur om het te doen, " zei Valy Vardeny, onderscheiden hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Utah. "Hier, chirale moleculen zijn zelf-geassembleerd in staande arrays, als soldaten, die de geïnjecteerde elektronen actief spinpolariseren, die vervolgens leiden tot circulair gepolariseerde lichtemissie. Zonder magnetisch veld, dure ferromagneten en zonder noodzaak voor extreem lage temperaturen. Dat zijn no-nos voor de industrie."

De meeste opto-elektronische apparaten, zoals LED's, alleen de controle van lading en licht en niet de spin van de elektronen. De elektronen bezitten kleine magnetische velden die, zoals de aarde, hebben magnetische polen aan weerszijden. De spin kan worden gezien als de oriëntatie van de polen en kan binaire informatie worden toegewezen - een 'up'-spin is een '1, ' een 'down' is een '0'. In tegenstelling tot, conventionele elektronica verzendt alleen informatie via uitbarstingen van elektronen langs een geleidende draad om berichten in '1s' en '0s' over te brengen. Spintronische apparaten, echter, beide methoden kunnen gebruiken, veelbelovend om exponentieel meer informatie te verwerken dan traditionele elektronica.

Een barrière voor commerciële spintronica is het instellen van de elektronenspin. momenteel, men moet een magnetisch veld produceren om de spinrichting van het elektron te oriënteren. Onderzoekers van de Universiteit van Utah en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) ontwikkelden technologie die fungeert als een actief spinfilter gemaakt van twee lagen materiaal, chirale tweedimensionale metaalhalogenideperovskieten genaamd. De eerste laag blokkeert elektronen die in de verkeerde richting draaien, een laag die de auteurs een chiraal-geïnduceerd spinfilter noemen. Als de resterende elektronen door de tweede lichtemitterende perovskietlaag gaan, ze zorgen ervoor dat de laag fotonen produceert die samen langs een spiraalvormig pad bewegen, in plaats van een conventioneel golfpatroon, circulair gepolariseerde elektroluminescentie te produceren.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op 12 maart, 2021.

Linkshandig, rechtshandige moleculen

De wetenschappers maakten gebruik van een eigenschap genaamd chiraliteit die een bepaald type geometrie beschrijft. Mensenhanden zijn een klassiek voorbeeld; de rechter- en linkerhand zijn als spiegels van elkaar opgesteld, maar ze zullen nooit perfect op één lijn liggen, ongeacht de oriëntatie. Sommige verbindingen, zoals DNA, suiker en chirale metaalhalogenide perovskieten, hebben hun atomen gerangschikt in een chirale symmetrie. Een "linkshandig" georiënteerd chiraal systeem kan elektronen transporteren met "up" spins, maar elektronen blokkeren met "down" spins, en vice versa.

"Als je elektronen door deze verbindingen probeert te transporteren, dan wordt de elektronenspin uitgelijnd met de chiraliteit van het materiaal, "Zei Vardeny. Er bestaan ​​nog andere spinfilters, maar ze hebben ofwel een soort magnetisch veld nodig, of ze kunnen alleen elektronen manipuleren in een klein gebied. "Het mooie van het perovskietmateriaal dat we gebruikten, is dat het tweedimensionaal is - je kunt veel vlakken van 1 cm ² gebied met een miljoen van een miljard (10 ¹⁵ ) staande moleculen met dezelfde chiraliteit."

Metaalhalogenide perovskiet halfgeleiders worden tegenwoordig meestal gebruikt voor zonnecellen, omdat ze zeer efficiënt zijn in het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Aangezien een zonnecel een van de meest veeleisende toepassingen van een halfgeleider is, wetenschappers ontdekken dat er ook andere toepassingen bestaan, inclusief spin-LED's.

"We onderzoeken de fundamentele eigenschappen van metaalhalogenideperovskieten, waardoor we nieuwe toepassingen hebben ontdekt die verder gaan dan fotovoltaïsche energie, " zei Jozef Luther, een co-auteur van het nieuwe artikel en NREL-wetenschapper. "Omdat metaalhalogenide perovskieten, en andere verwante organische metaalhalogenidehybriden, zijn enkele van de meest fascinerende halfgeleiders, ze vertonen een groot aantal nieuwe verschijnselen die kunnen worden gebruikt bij het transformeren van energie."

Hoewel metaalhalogenide perovskieten de eersten zijn die bewijzen dat de chiraal-hybride apparaten haalbaar zijn, zij zijn niet de enige kandidaten voor spin-LED's. De algemene formule voor het actieve spinfilter is één laag van een organische, chiraal materiaal, een andere laag van een anorganisch metaalhalogenide, zoals loodjodium, een andere organische laag, anorganische laag enzovoort.

"Dat is prachtig. Ik zou graag zien dat iemand met een ander 2D organisch/anorganisch laagmateriaal komt dat iets soortgelijks kan doen. In dit stadium, het is heel algemeen. Ik weet zeker dat met de tijd, iemand zal een ander tweedimensionaal chiraal materiaal vinden dat nog efficiënter zal zijn, ' zei Vardeny.

Het concept bewijst dat het gebruik van deze tweedimensionale chiraal-hybride systemen controle krijgt over spin zonder magneten en "brede implicaties heeft voor toepassingen zoals op kwantum gebaseerd optisch computergebruik, biocodering en tomografie, " volgens Matthew Beard, een senior research fellow en directeur van Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.