Nästa generation av informationsteknologi skulle kunna dra fördel av spintronik – elektronik som använder de minimala magnetfälten som kommer från spinnande elektroner såväl som de elektriska laddningarna från själva elektronerna – för snabbare, mindre elektroniska enheter som använder mindre energi.

Nypublicerade arbeten av forskare vid National Renewable Energy Laboratory och University of Utah kan vara med i den framtida framgången för spin-baserad elektronik. De har visat att transporten av elektroner med ett visst spinntillstånd genom en tvådimensionell hybrid organisk-oorganisk perovskit kan manipuleras genom att introducera speciella organiska molekyler i flerskiktsstrukturen. Dessa är kirala, vilket betyder att de föredrar en elektronspiral framför den andra.

Den nya tidningen, "Snurrberoende laddningstransport genom 2-D kirala hybrid-bly-jodid-perovskiter, " visas i journalen Vetenskapliga framsteg . Forskarna arbetade tillsammans under paraplyet av Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), ett Energy Frontier Research Center finansierat av US Department of Energy's Office of Science, Grundläggande energivetenskaper.

Haipeng Lu, en postdoktor som arbetar med Matthew C. Beard, en senior forskare vid NREL och chef för CHOISE, och Z. Valy Vardeny, Framstående professor i fysik från U, är huvudförfattare till tidningen.

"Vi upptäckte att flerskiktsstrukturen fungerar som ett naturligt centrifugeringsfilter, som kan användas för att injicera spinnriktade elektroner i aktiva lager utan behov av ett externt magnetfält. Detta är början på ett nytt paradigm av spintronik utan magnetfält, sa Vardeny.

En elektron kan ha antingen "upp" eller "ner" snurr, och elektroner med motsatta snurr kan uppta samma elektroniska tillstånd. Den viktigaste utmaningen i en spintronisk enhet är att kontrollera den spin-polariserade elektrontätheten; det är, att manipulera antalet elektroner med väldefinierade spinntillstånd. Spin-baserad kvantberäkning, till exempel, kommer att kräva förmågan att kontrollera och hantera dessa individuella spinntillstånd. Ett sätt att kontrollera spinnpolariserade strömmar är genom "kiralinducerad spinnselektivitet, " där transporten av elektroner med "upp" eller "ner" spinntillstånd beror på de transporterande materialens kiralitet - en strukturell egenskap hos ett system där dess spegelbild inte kan läggas över sig själv. Till exempel, ett "vänsterhänt" orienterat kiralt system kan tillåta transport av elektroner med "uppåt"-spinn men blockerar elektroner med "nedåt"-spinn och vice versus.

Forskarna har visat hur man integrerar ett kiralt organiskt subgitter i ett oorganiskt ramverk, skapa ett kiralt system som kan transportera elektroner med önskad spinnkontroll. Dessa hybrida organiska/oorganiska skiktade perovskiter föredrar att utföra ett spinntillstånd beroende på "handedness" hos kirala organiska molekyler. Således, de kirala perovskitfilmerna fungerar som ett spinnfilter.

Detta arbete öppnar dörren för framtida spintronic-enheter baserade på kirala perovskitespinfilter.

Forskningen bygger på en oavsiktlig upptäckt som Beards team gjorde för flera år sedan att perovskitmaterial uppvisar en effektiv optisk Stark-effekt vid rumstemperatur. Effekten kan användas för att styra eller adressera enskilda spinntillstånd med hjälp av optiska ljuspulser. Medan spin-optoelektroniska enheter baserade på hybrid organisk-oorganiska perovskiter har föreslagits teoretiskt, Vardeny och hans medforskare vid University of Utah meddelade tidigare i år att de kunde demonstrera sådana enheter, inklusive spinnventiler och snurr-lysdioder.

Spinnfiltren som utvecklats här är en annan komponent i perovskitbaserade spintronic-applikationer.

CHOISE gav finansieringen genom det amerikanska energidepartementet, Office of Basic Energy Sciences som en del av ett Energy Frontier Research Center.