La electrónica convencional utiliza semiconductores para transmitir datos a través de portadores cargados (electrones o huecos) para transmitir mensajes en “1” y “0”. Los dispositivos espintrónicos pueden procesar órdenes de magnitud asignando un código binario a la orientación de los polos magnéticos de los electrones, una propiedad llamada espín: un espín “arriba” es 1, uno “abajo” es 0.
Un obstáculo importante en la espintrónica comercial es establecer y mantener la orientación del espín del electrón. La mayoría de los dispositivos utilizan ferroimanes y campos magnéticos para ajustar la orientación del espín, un proceso engorroso y poco fiable. Décadas de investigación han demostrado que los portadores pierden su orientación de espín a medida que pasan de materiales de alta conductividad a materiales de baja conductividad, por ejemplo, de ferromagnetos metálicos a aquellos de silicio dopado y materiales poliméricos conjugados que son más utilizados en los semiconductores modernos.
Por primera vez, los científicos han transformado dispositivos optoelectrónicos existentes en dispositivos que pueden controlar el giro de los electrones a temperatura ambiente, sin ferroimanes ni campos magnéticos.
La mayoría de los dispositivos optoelectrónicos, como los LED, solo controlan la carga y la luz, pero no el espín de los electrones. En el nuevo estudio, dirigido por físicos e investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) de la Universidad de Utah, los electrodos LED comprados en tiendas fueron reemplazados por un filtro giratorio patentado, un material híbrido de perovskita de haluro orgánico-inorgánico. El LED produjo luz polarizada circularmente, una señal de que el filtro había inyectado electrones unidos por espín en la infraestructura semiconductora existente del LED, un gran paso adelante para la tecnología espintrónica.
“Esto es un milagro. Durante décadas, no hemos podido inyectar eficazmente electrones unidos por espín en semiconductores debido a la similitud entre los ferroimanes metálicos y los semiconductores no magnéticos”, afirmó Valli Wardini, profesor eminente del Departamento de Física y Astronomía. U y coautores del artículo. “Todos los tipos de dispositivos que utilizan espín y optoelectrónica, como por ejemplo LED de espín o memoria magnética, estarán encantados con este descubrimiento”.
El estudio fue publicado en la revista La naturaleza El 19 de junio de 2024.
Filtros de giro
En 2021, los mismos colegas desarrollaron una tecnología que actúa como un filtro de espín activo hecho de dos capas consecutivas de materiales, llamadas perovskitas de haluro orgánico-inorgánico híbrido quiral. La quiralidad describe la simetría de una molécula, donde su imagen especular no puede superponerse a sí misma. Las manos humanas son el mejor ejemplo. Mantenga las palmas de las manos hacia afuera. Las manos derecha e izquierda están dispuestas como espejos entre sí: puedes girar la mano derecha 180° para que coincida con la silueta, pero ahora la palma derecha mira hacia ti mientras que la izquierda mira hacia otro lado. Ellos no son los mismos.
Algunas moléculas, como el ADN, los azúcares y las capas de perovskitas híbridas quirales de haluros orgánicos, tienen sus átomos dispuestos en simetría de cabeza. El filtro funciona utilizando una capa quiral orientada “a la izquierda” para permitir el paso de los electrones con espín “arriba”, pero bloquea los electrones con espín “abajo”, y viceversa. En aquel momento, los científicos afirmaron que el descubrimiento podría utilizarse para convertir la optoelectrónica convencional en dispositivos espintrónicos simplemente añadiendo un filtro de espín quiral. Una nueva investigación hizo precisamente eso.
“Sacamos un LED del estante. Quitamos un electrodo y pusimos un material de filtro giratorio y el otro un electrodo normal. ¡Y listo! La luz estaba altamente polarizada circularmente”, dijo Wardini.
Los químicos de NERL fabricaron los LED giratorios apilando varias capas, cada una con propiedades físicas específicas. La primera capa es un electrodo de metal transparente común. Una segunda capa de material evita que los electrones giren en la dirección equivocada, una capa que los autores llaman filtro de espín inducido por quiralidad. Los electrones unidos por espín luego se vuelven a ensamblar en la tercera capa, un semiconductor estándar utilizado como capa activa en los LED normales. Los electrones inyectados alineados con espín hacen que la capa genere fotones que se mueven a lo largo de una trayectoria en espiral en lugar de un patrón de onda tradicional, para producir la electroluminiscencia polarizada circular característica del LED.
“Este trabajo demuestra el potencial único y poderoso de estos semiconductores ‘híbridos’ emergentes para combinar y explotar la interacción de distintas propiedades de sistemas orgánicos e inorgánicos”, dijo el coautor del estudio NREL, Matthew Baird. “Aquí la quiralidad se toma prestada de las moléculas orgánicas y proporciona control sobre el giro, mientras que el componente inorgánico orienta al componente orgánico y proporciona conductividad o control sobre la carga”.
Una vez que instalaron el filtro en un LED estándar, Xin Pan, asistente de investigación en el Departamento de Física y Astronomía de la U, confirmó que el dispositivo funcionó según lo previsto, al permitir que los electrones giraran. Sin embargo, se necesita más investigación para dilucidar los mecanismos exactos que intervienen para crear espines polarizados.
“Esa es una pregunta que cuesta 64.000 dólares para que la responda un teórico”, dijo Wardini. “Realmente es un milagro. Y un milagro sin conocer el mecanismo subyacente exacto. Así que esa es la belleza de ser un experimentador. Inténtalo”.
Los autores afirman que otros científicos pueden realizar esta técnica en muchos contextos utilizando otros materiales celulares, como el ADN.
