Ljusemitterande dioder (LED) har revolutionerat bildskärmsindustrin. Lysdioder använder elektrisk ström för att producera synligt ljus utan den överskottsvärme som finns i traditionella glödlampor, en glöd som kallas elektroluminescens. Detta genombrott ledde till det iögonfallande, högupplöst tittarupplevelse som vi har börjat förvänta oss av våra skärmar. Nu, en grupp fysiker och kemister har utvecklat en ny typ av LED som använder spintronik utan att behöva ett magnetfält, magnetiska material eller kryogena temperaturer; ett "kvantsprång" som kan ta skärmar till nästa nivå.

"Företagen som tillverkar lysdioder eller TV- och datorskärmar vill inte hantera magnetfält och magnetiska material. Det är tungt och dyrt att göra det, sade Valy Vardeny, framstående professor i fysik och astronomi vid University of Utah. "Här, kirala molekyler är självmonterade till stående arrayer, som soldater, som aktivt spinnpolariserar de injicerade elektronerna, som därefter leder till cirkulärt polariserad ljusemission. Utan magnetfält, dyra ferromagneter och utan behov av extremt låga temperaturer. Det är no-nos för branschen."

De flesta optoelektroniska enheter, såsom lysdioder, kontrollerar bara laddning och ljus och inte elektronernas spinn. Elektronerna har små magnetfält som, som jorden, har magnetiska poler på motsatta sidor. Dess snurr kan ses som orienteringen av polerna och kan tilldelas binär information - ett "upp"-snurr är ett "1, ' en 'ned' är en '0'. I kontrast, konventionell elektronik sänder endast information genom elektronskurar längs en ledande tråd för att förmedla meddelanden i '1s' och '0s'. Spintronic-enheter, dock, kan använda båda metoderna, lovar att bearbeta exponentiellt mer information än traditionell elektronik.

En barriär för kommersiell spintronik är att sätta elektronspinnet. Nuvarande, man behöver producera ett magnetfält för att orientera elektronspinriktningen. Forskare från University of Utah och National Renewable Energy Laboratory (NREL) utvecklade teknologi som fungerar som ett aktivt spinnfilter tillverkat av två lager material som kallas kirala tvådimensionella metallhalogenidperovskiter. Det första lagret blockerar elektroner som snurrar i fel riktning, ett lager som författarna kallar ett kiralt inducerat spinfilter. Sedan när de återstående elektronerna passerar genom det andra ljusemitterande perovskitskiktet, de får lagret att producera fotoner som rör sig unisont längs en spiralbana, snarare än ett konventionellt vågmönster, för att producera cirkulär polariserad elektroluminescens.

Studien publicerades i tidskriften Vetenskap den 12 mars, 2021.

Vänsterhänt, högerhänta molekyler

Forskarna utnyttjade en egenskap som kallas kiralitet som beskriver en viss typ av geometri. Människohänder är ett klassiskt exempel; höger och vänster hand är anordnade som speglar av varandra, men de kommer aldrig att passa perfekt, oavsett orientering. Vissa föreningar, som DNA, socker och kirala metallhalogenidperovskiter, har sina atomer ordnade i en kiral symmetri. Ett "vänsterhänt" orienterat kiralt system kan tillåta transport av elektroner med "uppåt"-spinn men blockera elektroner med "nedåt"-spinn, och vice versa.

"Om du försöker transportera elektroner genom dessa föreningar, då blir elektronspinnet i linje med materialets kiralitet, ", sa Vardeny. Andra spinnfilter finns, men de kräver antingen någon form av magnetfält, eller så kan de bara manipulera elektroner på ett litet område. "Det fina med perovskitmaterialet som vi använde är att det är tvådimensionellt - du kan förbereda många plan på 1 cm ² område som innehåller en miljon av en miljard (10 ¹⁵ ) stående molekyler med samma kiralitet."

Metallhalogenidperovskithalvledare används mest för solceller idag, eftersom de är mycket effektiva på att omvandla solljus till elektricitet. Eftersom en solcell är en av de mest krävande tillämpningarna av alla halvledare, forskare upptäcker att det också finns andra användningsområden, inklusive spin-LED.

"Vi utforskar de grundläggande egenskaperna hos metallhalogenidperovskiter, som har gjort det möjligt för oss att upptäcka nya applikationer utöver solceller, sade Joseph Luther, en medförfattare till den nya artikeln och NREL-forskare. "Eftersom metallhalogenidperovskiter, och andra relaterade organiska metallhalogenhybrider, är några av de mest fascinerande halvledarna, de uppvisar en mängd nya fenomen som kan användas för att omvandla energi."

Även om metallhalogenidperovskiter är de första som bevisar att kiralhybridanordningarna är genomförbara, de är inte de enda kandidaterna för spin-LED. Den allmänna formeln för det aktiva spinnfiltret är ett lager av en organisk, kiralt material, ett annat lager av en oorganisk metallhalogenid, som blyjod, ett annat organiskt lager, oorganiskt skikt och så vidare.

"Det är vackert. Jag skulle älska att någon kommer ut med ett annat 2D organiskt/oorganiskt lagermaterial som kan göra en liknande sak. I det här skedet, det är väldigt allmänt. Jag är säker på att med tiden, någon kommer att hitta ett annat tvådimensionellt kiralt material som kommer att vara ännu mer effektivt, sa Vardeny.

Konceptet bevisar att användningen av dessa tvådimensionella kiralhybridsystem får kontroll över spinn utan magneter och har "vida konsekvenser för applikationer som kvantbaserad optisk beräkning, biokodning och tomografi, " enligt Matthew Beard, en senior forskare och chef för Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.