Ett team som leds av University of Utah har upptäckt att en klass av "mirakelmaterial" som kallas organiska-oorganiska hybridperovskiter kan vara en spelväxlare för framtida spintronic-enheter.

Spintronics använder elektronspinnets riktning - antingen uppåt eller nedåt - för att bära information i enor och nollor. En spintronic -enhet kan bearbeta exponentiellt mer data än traditionell elektronik som använder eb och flöden av elektrisk ström för att generera digitala instruktioner. Men fysiker har kämpat för att göra spintronic -apparater till verklighet.

Den nya studien, publicerad online idag Naturfysik , är den första som visar att organiska-oorganiska hybridperovskiter är en lovande materialklass för spintronik. Forskarna upptäckte att perovskiterna har två motsägelsefulla egenskaper som är nödvändiga för att få spintroniska enheter att fungera - elektronernas snurrning kan enkelt kontrolleras, och kan också behålla centrifugeringsriktningen tillräckligt länge för att transportera information, en egendom som kallas spin -livslängd.

"Det är en enhet som människor alltid velat göra, men det finns stora utmaningar att hitta ett material som kan manipuleras och, på samma gång, ha en lång snurrlivslängd, "säger Sarah Li, biträdande professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid U och huvudförfattare till studien. "Men för detta material, det är materialets egendom som uppfyller båda. "

Mirakelmaterialet

Organiska-oorganiska hybridperovskiter är redan kända i vetenskapliga kretsar för att vara otroligt effektiva vid omvandling av solljus till elektricitet.

"Det är otroligt. Ett mirakelmaterial, "säger Z. Valy Vardeny, framstående professor vid Institutionen för fysik och astronomi och medförfattare till studien, vars laboratorium studerar perovskit solceller. "På bara några år, solceller baserade på detta material har 22 procents effektivitet. Och nu har den denna livstidens egendom. Det är fantastiskt."

Materialets kemiska sammansättning är en osannolik kandidat för spintronik, dock. Hybriden perovskit oorganisk ram är gjord av tunga element. Ju tyngre atomen är, desto lättare är det att manipulera elektronspinnet. Det är bra för spintronics. Men andra krafter påverkar också snurrningen. När atomerna är tunga, du antar att centrifugeringstiden är kort, förklarar Li.

"De flesta inom området skulle inte tro att det här materialet har en lång livslängd. Det är förvånande för oss, för, "säger Li." Vi har inte fått reda på den exakta orsaken än. Men det är troligtvis något inneboende, magisk egenskap hos själva materialet. "

Spintronics:Det magnetiska ögonblicket när ...

Mobiltelefoner, datorer och annan elektronik har kiseltransistorer som styr flödet av elektriska strömmar som små dammar. När enheterna blir mer kompakta, transistorer måste hantera den elektriska strömmen i mindre och mindre områden.

"Kiseltekniken, endast baserat på elektronladdningen, når sin storleksgräns, "säger Li, "Trådens storlek är redan liten. Om den blir mindre, det kommer inte att fungera på ett klassiskt sätt som du tänker på. "

"Folk tänkte, "Hur ökar vi mängden information i ett så litet område?", Tillägger Vardeny. "Vad gör vi för att övervinna denna gräns?"

"Spintronics, "svarar fysiken.

Spintronics använder elektronens snurr för att bära information. Elektroner är i grunden små magneter som kretsar kring elementets kärna. Precis som jorden har sin egen orientering i förhållande till solen, elektroner har sin egen rotationsorientering i förhållande till kärnan som kan justeras i två riktningar:"Upp, "som representerar ett, och ner, "som representerar en noll. Fysiker relaterar elektronens" magnetiska ögonblick "till dess snurr.

Genom att lägga till snurr till traditionell elektronik, du kan bearbeta exponentiellt mer information än att använda dem klassiskt baserat på mindre eller mer avgift.

"Med spintronics, inte bara har du enormt mer information, men du är inte begränsad av transistorns storlek. Gränsen i storlek är storleken på det magnetiska ögonblicket som du kan upptäcka, som är mycket mindre än transistorns storlek nuförtiden, säger Vardeny.

Experimentet för att ställa in elektronspinn

Att stämma ett elektronspinn är som att stämma en gitarr, men med en laser och en massa speglar.

Först, forskarna bildade en tunn film av hybridperovskitmetyl-ammonium-blyjod (CH3NH3PbI3) och placerade den framför en ultrasnabb laser som skjuter mycket korta ljuspulser 80 miljoner gånger i sekunden. Forskarna är de första som använder ljus för att ställa in elektronens rotationsorientering och observera snurrprecessionen i detta material.

De delar lasern i två strålar; den första träffade filmen för att ställa in elektronspinnet i önskad riktning. Den andra strålen böjer sig genom en serie speglar som en flipperspel innan den träffar perovskitfilmen med ökande tidsintervaller för att mäta hur länge elektronen höll snurren i den förberedda riktningen.

De fann att perovskiten har en förvånansvärt lång snurrlivslängd - upp till nanosekund. Snurren vänder många gånger under en nanosekund, vilket innebär att mycket information enkelt kan lagras och manipuleras under den tiden.

När de väl bestämde den långa centrifugeringstiden, forskarna testade hur bra de kunde manipulera snurrningen med ett magnetfält.

"Snurren är som kompassen. Kompassen snurrar i detta magnetfält vinkelrätt mot kompassen, och så småningom kommer det att sluta snurra, "säger Li." Säg att du ställer in snurren till 'upp, 'och du kallar det' en '. När du utsätter det för magnetfältet, snurren ändrar riktning. Om den roterade 180 grader, det ändras från ett till noll. Om den roterade 360 ​​grader, det går från en till en. "

De fann att de kunde rotera spinnet mer än 10 varv genom att exponera elektronen för olika styrkor av magnetfält.

Potentialen för detta material är enorm, säger Vardeny. Det kan behandla data snabbare och öka slumpmässigt åtkomstminne.

"Jag säger dig, det är ett mirakelmaterial, säger Vardeny.