Il primo strato è un anodo semitrasparente, come ITO, che inietta "buchi" non polarizzati, "una caratteristica quantistica degli elettroni, con un certo giro. Il secondo strato è la perovskite ibrida chirale bidimensionale che è un filtro di spin attivo, lasciando passare solo fori con spin specifico, a seconda dell'elicità delle molecole chirali. Il terzo strato è il film emettitore, composto da una perovskite inorganica non chirale come CsPbBr3. Il quarto e il quinto strato sono il catodo che inietta gli elettroni spin up e spin down. Solo gli elettroni spin down si ricombinano con i fori iniettati spin up per produrre luce polarizzata circolarmente con elicità che dipende dall'elicità delle molecole chirali nello strato organico-inorganico bidimensionale. Credito:Adattato da:Kim, YH et. al., Scienza (2021)
I diodi a emissione di luce (LED) hanno rivoluzionato l'industria dei display. I LED utilizzano la corrente elettrica per produrre luce visibile senza il calore in eccesso che si trova nelle lampadine tradizionali, un bagliore chiamato elettroluminescenza. Questa svolta ha portato alla strabiliante esperienza di visualizzazione ad alta definizione che ci si aspetta dai nostri schermi. Ora, un gruppo di fisici e chimici ha sviluppato un nuovo tipo di LED che utilizza la spintronica senza bisogno di un campo magnetico, materiali magnetici o temperature criogeniche; un "salto quantico" che potrebbe portare i display al livello successivo.
"Le aziende che producono LED o schermi TV e computer non vogliono avere a che fare con campi magnetici e materiali magnetici. È pesante e costoso farlo, " disse Valy Vardeny, illustre professore di fisica e astronomia all'Università dello Utah. "Qui, le molecole chirali sono autoassemblate in array permanenti, come soldati, che spin attivamente polarizzano gli elettroni iniettati, che successivamente portano all'emissione di luce polarizzata circolarmente. Senza campo magnetico, ferromagneti costosi e senza bisogno di temperature estremamente basse. Questi sono no-no per l'industria".
La maggior parte dei dispositivi optoelettronici, come LED, controllano solo la carica e la luce e non lo spin degli elettroni. Gli elettroni possiedono minuscoli campi magnetici che, come la Terra, hanno poli magnetici su lati opposti. Il suo spin può essere visto come l'orientamento dei poli e può essere assegnato un'informazione binaria:uno spin 'su' è un '1, ' un 'giù' è uno '0.' In contrasto, l'elettronica convenzionale trasmette informazioni solo attraverso raffiche di elettroni lungo un filo conduttivo per trasmettere messaggi in "1" e "0". dispositivi spintronici, però, potrebbe utilizzare entrambi i metodi, promettendo di elaborare esponenzialmente più informazioni rispetto all'elettronica tradizionale.
Un ostacolo alla spintronica commerciale è l'impostazione dello spin dell'elettrone. Attualmente, è necessario produrre un campo magnetico per orientare la direzione di spin dell'elettrone. I ricercatori dell'Università dello Utah e del National Renewable Energy Laboratory (NREL) hanno sviluppato una tecnologia che agisce come un filtro di spin attivo costituito da due strati di materiale chiamati perovskiti a alogenuri metallici bidimensionali chirali. Il primo strato blocca gli elettroni che hanno spin nella direzione sbagliata, uno strato che gli autori chiamano un filtro di spin indotto da chirale. Quindi, quando gli elettroni rimanenti passano attraverso il secondo strato di perovskite che emette luce, fanno sì che lo strato produca fotoni che si muovono all'unisono lungo un percorso a spirale, piuttosto che un modello d'onda convenzionale, per produrre elettroluminescenza polarizzata circolare.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Scienza il 12 marzo 2021.
Uno schema di luce polarizzata circolarmente. Fotoni che si muovono all'unisono lungo un percorso a spirale, piuttosto che un modello d'onda convenzionale, produrre luce polarizzata circolare. Lo strato di perovskite emettitore di luce del dispositivo spin-LED produce luce polarizzata sia per mancini che per destrorsi, a seconda dello spin degli elettroni che hanno superato il filtro di perovskite. Credito:Dave3457 tramite Wikicommons
Mancino, molecole destrorse
Gli scienziati hanno sfruttato una proprietà chiamata chiralità che descrive un particolare tipo di geometria. Le mani umane sono un classico esempio; le mani destra e sinistra sono disposte come specchi l'una dell'altra, ma non si allineeranno mai perfettamente, non importa l'orientamento. Alcuni composti, come il DNA, zucchero e perovskiti a ioduri metallici chirali, hanno i loro atomi disposti in una simmetria chirale. Un sistema chirale orientato "mancino" può consentire il trasporto di elettroni con spin "su" ma bloccare gli elettroni con spin "giù", e viceversa.
"Se provi a trasportare gli elettroni attraverso questi composti, quindi lo spin dell'elettrone si allinea con la chiralità del materiale, " ha detto Vardeny. Esistono altri filtri di spin, ma richiedono un qualche tipo di campo magnetico, oppure possono manipolare solo elettroni in una piccola area. "La bellezza del materiale perovskite che abbiamo usato è che è bidimensionale:puoi preparare molti piani di 1 cm 2 area che contiene un milione di un miliardo (10 15 ) molecole stazionarie con la stessa chiralità."
I semiconduttori di perovskite ad alogenuri metallici sono usati principalmente per le celle solari in questi giorni, poiché sono altamente efficienti nel convertire la luce solare in elettricità. Poiché una cella solare è una delle applicazioni più impegnative di qualsiasi semiconduttore, gli scienziati stanno scoprendo che esistono anche altri usi, compresi gli spin-LED.
"Stiamo esplorando le proprietà fondamentali delle perovskiti ad alogenuri metallici, che ci ha permesso di scoprire nuove applicazioni oltre al fotovoltaico, " disse Giuseppe Lutero, un co-autore del nuovo articolo e scienziato NREL. "Poiché le perovskiti ad alogenuri metallici, e altri ibridi organici agli alogenuri metallici correlati, sono alcuni dei semiconduttori più affascinanti, mostrano una serie di nuovi fenomeni che possono essere utilizzati per trasformare l'energia".
Sebbene le perovskiti ad alogenuri metallici siano le prime a dimostrare la fattibilità dei dispositivi ibridi chirali, non sono gli unici candidati per gli spin-LED. La formula generale per il filtro di spin attivo è uno strato di un organico, materiale chirale, un altro strato di un alogenuro metallico inorganico, come lo iodio di piombo, un altro strato organico, strato inorganico e così via.
"È bellissimo. Mi piacerebbe che qualcuno uscisse con un altro materiale a strati organici/inorganici 2D che potrebbe fare una cosa simile. A questo punto, è molto generale. Sono sicuro che con il tempo, qualcuno troverà un diverso materiale chirale bidimensionale che sarà ancora più efficiente, " ha detto Vardeny.
Il concetto dimostra che l'utilizzo di questi sistemi ibridi chirali bidimensionali consente di ottenere il controllo dello spin senza magneti e ha "ampie implicazioni per applicazioni come il calcolo ottico quantistico, biocodifica e tomografia, "secondo Matteo Barba, un ricercatore senior e direttore del Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.
