Основным препятствием для коммерческой спинтроники является настройка и поддержание ориентации спина электрона. Большинство устройств настраивают ориентацию спина с помощью ферромагнетиков и магнитных полей, что является обременительным и ненадежным процессом. Десятилетия исследований показали, что носители заряда теряют свою ориентацию при переходе от материалов с высокой проводимостью к материалам с низкой проводимостью - например, от металлических ферромагнетиков к нелегированному кремнию и сопряженным полимерным материалам, из которых состоит большинство современных полупроводников.

Впервые ученые преобразовали существующие оптоэлектронные устройства в такие, которые могут управлять вращением электронов при комнатной температуре, без ферромагнетика или магнитного поля.

Большинство оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды, управляют только зарядом и светом, но не вращением электронов. В новом исследовании, проведенном физиками из Университета Юты и исследователями Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), электроды приобретенных в магазине светодиодов были заменены на запатентованный спиновый фильтр, изготовленный из гибридного органо-неорганического галогенидного перовскита. Светодиоды излучали свет с круговой поляризацией - верный признак того, что фильтр внедрил электроны, ориентированные по спину, в существующую полупроводниковую инфраструктуру светодиодов, что стало огромным шагом вперед в развитии технологии спинтроники.

- Это настоящее чудо. В течение десятилетий мы не могли эффективно вводить электроны, ориентированные по спину, в полупроводники из-за несоответствия металлических ферромагнетиков и немагнитных полупроводников", - сказал Вали Вардени, заслуженный профессор кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета и соавтор статьи. "Все виды устройств, использующих спин и оптоэлектронику, такие как спин-светодиоды или магнитная память, будут в восторге от этого открытия".

Исследование было опубликовано в журнале Природа 19 июня 2024 года.

Отжимные фильтры

В 2021 году те же сотрудники разработали технологию, которая действует как активный фильтрующий элемент, изготовленный из двух последовательных слоев материала, называемых хиральными гибридными органо-неорганическими галоидными перовскитами. Хиральность описывает симметрию молекулы, при которой ее зеркальное отражение не может быть наложено само на себя. Классическим примером являются человеческие руки; вытяните свои ладони в стороны. Правая и левая руки расположены как зеркальное отражение друг друга - вы можете повернуть правую руку на 180°, чтобы соответствовать силуэту, но теперь правая ладонь обращена к вам, а левая - в сторону. Это не одно и то же.

В некоторых молекулах, таких как ДНК, сахар и слои хиральных гибридных органо-галоидных перовскитов, атомы расположены с хиральной симметрией. Фильтр работает с использованием "левосторонне" ориентированного кирального слоя, который пропускает электроны с "верхними" спинами, но блокирует электроны с "нижними" спинами, и наоборот. В то время ученые утверждали, что это открытие может быть использовано для преобразования обычной оптоэлектроники в спинтронные устройства, просто включив хиральный спиновый фильтр. В новом исследовании именно это и было сделано.

"Мы взяли с полки светодиод. Мы удалили один электрод и заменили его фильтрующим материалом и другим обычным электродом. И вуаля! Свет был с высокой циркулярной поляризацией", - сказал Вардени.

Химики из NERL изготовили спиновые светодиоды, наложив несколько слоев, каждый из которых обладает определенными физическими свойствами.Первый слой представляет собой обычный прозрачный металлический электрод; материал второго слоя блокирует электроны, вращающиеся в неправильном направлении, - этот слой авторы называют спиновым фильтром, индуцированным хиральностью. Затем выровненные по спину электроны рекомбинируют в третьем слое - стандартном полупроводнике, используемом в качестве активного слоя в обычных светодиодах. Инжектируемые электроны, выровненные по спину, заставляют этот слой генерировать фотоны, которые движутся в унисон по спиральной траектории, а не по обычной волновой схеме, создавая характерную для светодиода электролюминесценцию с круговой поляризацией,

"Эта работа демонстрирует уникальную и мощную способность этих новых "гибридных" полупроводников комбинировать и использовать преимущества взаимодействия различных свойств органических и неорганических систем", - сказал Мэтью Бирд, соавтор исследования NREL. "Здесь хиральность заимствована у органических молекул и обеспечивает контроль над вращением, в то время как неорганический компонент одновременно ориентирует органический компонент и обеспечивает проводимость или контроль над зарядом".

Как только они установили фильтр в стандартный светодиод, Синь Пан, научный сотрудник кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета, подтвердил, что устройство работает так, как задумано, а именно за счет электронов, выровненных по спинам. Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы объяснить точные механизмы создания поляризованных спинов.

"Это вопрос стоимостью 64 000 долларов, на который должен ответить теоретик", - сказал Вардени. "Это действительно чудо. И чудо заключается в том, что мы не знаем точного механизма, лежащего в его основе. В этом и заключается прелесть работы экспериментатора. Ты просто попробуй это сделать."

Авторы утверждают, что другие ученые могут применить этот метод, используя другие хиральные материалы, такие как ДНК, во многих контекстах.