Un esfuerzo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha logrado avances que podrían permitir una amplia gama de dispositivos optoelectrónicos actualmente inimaginables.
Los investigadores, cuya innovación anterior implicaba la adición de una capa de perovskita, permitió la creación de un nuevo tipo de diodo emisor de luz (LED) polarizado a temperatura ambiente sin el uso de campos magnéticos o contactos ferromagnéticos, ya no existen. Un paso adelante al integrar una estructura optoelectrónica semiconductora III-V con un semiconductor de perovskita de haluro quiral. Es decir, convirtieron un LED comercial existente en uno que también controla el espín de los electrones. Los hallazgos allanaron el camino para revolucionar la optoelectrónica moderna, un campo que se basa en el control de la luz y abarca LED, células solares y láseres de telecomunicaciones, entre otros dispositivos.
“Depende de la percepción que uno tenga sobre hasta dónde puede llegar o hasta dónde puede llegar”, dijo Matthew Baird, investigador principal del NREL y autor del libro recientemente publicado. La naturaleza Artículo, “Inyección de espín a temperatura ambiente en una interfaz quiral-perovskita/III-V”.
Baird también se desempeña como director del Centro de Semiconductores Híbridos Orgánicos-Inorgánicos para la Energía (CHOISE), un centro de investigación de la frontera energética financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE. La investigación reportada fue financiada por CHOISE y se basó en una amplia gama de experiencia científica del NREL, la Escuela de Minas de Colorado, la Universidad de Utah, la Universidad de Colorado Boulder y la Universidad de Lorena en Francia.
CHOISE tiene como objetivo comprender el control de la carga, el giro y la interconversión de la luz mediante sistemas químicos cuidadosamente diseñados. En particular, el trabajo se centra en el control sobre el espín del electrón, que puede ser “arriba” o “abajo”. La mayoría de los dispositivos optoelectrónicos actuales se basan en la conversión entre carga y luz. Sin embargo, el espín es otra propiedad de los electrones y el control del espín puede permitir una amplia gama de nuevos efectos y funcionalidades. Los investigadores publicaron un artículo en 2021 explicando cómo, utilizando dos capas de perovskita diferentes, pudieron controlar el giro creando un filtro que evita que los electrones “giren” en la dirección equivocada.
En ese momento planteó la hipótesis de que si podía unir con éxito dos semiconductores, se podrían lograr avances en la optoelectrónica, y así fue. Los avances logrados, incluida la eliminación de la necesidad de temperaturas de cero grados Celsius, se pueden utilizar para aumentar la velocidad de procesamiento de datos y reducir la cantidad de energía requerida.
“La mayoría de las tecnologías actuales se basan en el control de la carga”, afirmó Baird. “La mayoría de la gente simplemente se olvida del espín del electrón, pero el espín es muy importante y es otro parámetro que se puede controlar y manipular”.
La manipulación de los espines de los electrones en un semiconductor requiere primero el uso de contactos ferromagnéticos bajo un campo magnético aplicado. Utilizando perovskitas quirales, los investigadores pudieron diseñar un LED que emite luz polarizada a temperatura ambiente y sin campo magnético. La quiralidad se refiere a la estructura de la materia que no se puede superponer a su imagen especular, como una mano. Por ejemplo, un sistema quiral orientado “zurdo” puede permitir el transporte de electrones con espín “arriba” pero bloquear electrones con espín “abajo”, y viceversa. El espín del electrón se convierte entonces en el “espín” o polarización de la luz emitida. Investigaciones anteriores encontraron que el grado de polarización, que mide la intensidad de la luz que está polarizada en una dirección, es de alrededor del 2,6 por ciento. La adición de un semiconductor III-V, formado por materiales de la tercera y quinta columnas de la tabla periódica, aumentó la polarización en aproximadamente un 15%. El grado de polarización sirve como medida directa de la acumulación de espín en el LED.
“Este trabajo es particularmente interesante para mí, ya que combina la funcionalidad de SPIN con una plataforma LED tradicional”, dijo Matthew Hotzinger, primer autor del trabajo. “Puedes comprar los LED que usamos por 14 centavos, pero al agregar perovskita quiral, hemos convertido una tecnología ya sólida (y bien entendida) en un futuro dispositivo de control de giro. Ha cambiado”.
