När den tyska mineralogen Gustav Rose stod på sluttningarna av Rysslands Uralbergen 1839 och plockade upp en bit av ett tidigare oupptäckt mineral, han hade aldrig hört talas om transistorer eller dioder eller hade någon uppfattning om hur konventionell elektronik skulle bli en integrerad del av vårt dagliga liv. Han kunde inte förutse att stenen han höll i handen, som han kallade "perovskite, "kan vara en nyckel till att revolutionera elektroniken som vi känner dem.

År 2017, Fysikern Valy Vardeny vid University of Utah kallade perovskite för ett "mirakelmaterial" för ett framväxande område av nästa generations elektronik, kallas spintronics, och han står fast vid det påståendet. I en artikel publicerad idag Naturkommunikation , Vardeny, tillsammans med Jingying Wang, Dali Sun (nu vid North Carolina State University) och kollegor presenterar två enheter byggda med perovskit för att demonstrera materialets potential i spintronic -system. Dess egenskaper, Vardeny säger, föra drömmen om en spintronic transistor ett steg närmare verkligheten.

Spintronics

Ett konventionellt digitalt elektroniskt system förmedlar en binär signal (tänk 1s och 0s) genom elektronpulser som bärs genom en ledande tråd. Spintronics kan förmedla ytterligare information via en annan egenskap hos elektroner, deras rotationsriktning (tänk upp eller ner). Spinn är relaterat till magnetism. Så spintronics använder magnetism för att justera elektroner i ett visst snurr, eller "injicera" snurr i ett system.

Om du någonsin har gjort det gamla vetenskapliga experimentet med att vända en spik till en magnet genom att dra en magnet upprepade gånger längs dess längd, då har du redan sysslat med spintronics. Magneten överför information till spiken. Tricket är sedan att transportera och manipulera den informationen, som kräver enheter och material med finjusterade egenskaper. Forskare arbetar mot milstolpen i en spinntransistor, en spintronics -version av de elektroniska komponenterna som finns i praktiskt taget all modern elektronik. En sådan anordning kräver ett halvledarmaterial i vilket ett magnetfält enkelt kan manipulera riktningen för elektronernas snurr-en egenskap som kallas spin-orbit-koppling. Det är inte lätt att bygga en sådan transistor, Säger Wang. "Vi fortsätter att leta efter nytt material för att se om det är mer lämpligt för detta ändamål."

Här spelar perovskiter in.

Perovskiter

Perovskiter är en mineralklass med en särskild atomstruktur. Deras värde som ett tekniskt material har bara blivit uppenbart under de senaste 10 åren. På grund av den atomstrukturen, forskare har utvecklat perovskit till ett material för tillverkning av solpaneler. År 2018 hade de uppnått en effektivitet på upp till 23 procent av solenergin omvandlad till elektrisk energi - ett stort steg upp från 3,8 procent 2009.

Sålänge, Vardeny och hans kollegor undersökte möjligheterna med spintronics och de olika material som kan visa sig vara effektiva vid överföring av centrifugering. På grund av tunga blyatomer i perovskit, fysiker förutspådde att mineralet kan ha en stark spin-orbit-koppling. I en tidning 2017, Vardeny och fysikassistentprofessor Sarah Li visade att en klass av perovskiter som kallas organiska-oorganiska hybridperovskiter verkligen har en stor spinn-koppling. Också, livslängden på centrifugering som injicerats i hybridmaterialen varade relativt länge. Båda resultaten tyder på att denna typ av hybridperovskit höll löften som ett spintronikmaterial.

Två spintronic -enheter

Nästa steg, vilket Vardeny och Wang åstadkom i sitt senaste arbete, skulle införliva hybridperovskit i spintronic -enheter. Den första enheten är en spintronic ljusemitterande diod, eller LED. Halvledaren i en traditionell LED innehåller elektroner och hål - platser i atomer där elektroner ska vara, men är inte. När elektroner flyter genom dioden, de fyller hålen och avger ljus.

Wang säger att en spintronic LED fungerar ungefär på samma sätt, men med en magnetisk elektrod, och med elektronhål polariserade för att rymma elektroner från ett visst snurr. Lysdioden tändes med cirkulärt polariserad elektroluminescens, Wang säger, visar att magnetelektroden framgångsrikt överförde spinnpolariserade elektroner till materialet.

"Det är inte självklart att om du lägger en halvledare och en ferromagnet tillsammans får du en spinninjektion, "Tillägger Vardeny." Du måste bevisa det. Och de bevisade det. "

Den andra enheten är en centrifugeringsventil. Liknande enheter finns redan och används i enheter som datorhårddiskar. I en spinnventil, ett externt magnetfält vänder polariteten hos magnetiska material i ventilen mellan en öppen, lågmotståndstillstånd och en stängd, högresistent tillstånd.

Wang och Vardenys spinnventil gör mer. Med hybridperovskit som enhetsmaterial, forskarna kan injicera snurr i enheten och sedan få snurren att föregå, eller vingla, inuti enheten med magnetisk manipulation.

Det är en stor grej, säger forskarna. "Du kan utveckla spintronics som inte bara är användbara för registrering av information och datalagring, men också beräkning, "Wang säger." Det var ett första mål för de människor som startade spintronikområdet, och det är det vi fortfarande arbetar med. "

Tagen tillsammans, dessa experiment visar att perovskit fungerar som en spintronic halvledare. Det slutliga målet med en spinnbaserad transistor är fortfarande flera steg bort, men denna studie lägger en viktig grund för vägen framåt.

"Det vi har gjort är att bevisa att det som folk trodde var möjligt med perovskit faktiskt händer, "Säger Vardeny." Det är ett stort steg. "