Un polimero organico stampabile che si assembla in strutture chirali una volta stampato ha consentito ai ricercatori di misurare in modo affidabile la quantità di carica prodotta nella conversione spin-carica all'interno di un materiale spintronico a temperatura ambiente. Le qualità sintonizzabili e la versatilità del polimero lo rendono desiderabile non solo per applicazioni elettroniche stampabili meno costose, rispettose dell'ambiente, ma anche per l'uso nella comprensione della chiralità e delle interazioni di spin più in generale.

I dispositivi spintronici sono dispositivi elettronici che sfruttano la rotazione di un elettrone, anziché la sua carica, per creare corrente ad alta efficienza energetica utilizzata per l’archiviazione dei dati, la comunicazione e l’elaborazione. I materiali chirali si riferiscono a materiali che non possono essere imposti sulla loro immagine speculare:pensa ad esempio alle mani sinistra e destra. Se metti la mano sinistra sopra la destra, le posizioni delle dita sono invertite. Questa è la chiralità.

La chiralità nei materiali spintronici consente ai progettisti di controllare la direzione dello spin all'interno del materiale, noto come effetto di "selettività di spin indotta dalla chiralità (CISS)". L’effetto CISS si verifica quando la corrente di carica scorre lungo l’asse chirale in un materiale chirale, producendo spin – o conversione da carica a spin – senza bisogno di elementi ferromagnetici. La conversione da carica a rotazione è necessaria per l'archiviazione della memoria nei dispositivi informatici.

"Sappiamo che la conversione carica-spin guidata dal CISS funziona in modo efficiente nei semiconduttori chirali, ma vogliamo sapere perché", afferma Dali Sun, professore associato di fisica, membro dell'Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) nella Carolina del Nord Università Statale e co-autore corrispondente dell'opera. "E un modo semplice per comprendere gli sconcertanti meccanismi di un tale processo è invertirlo, cioè osservare la conversione spin-carica tramite l'effetto CISS inverso."

Sun ha lavorato con Ying Diao, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign e co-autore corrispondente del lavoro, che ha sviluppato processi di stampa per assemblare polimeri organici coniugati in strutture elicoidali chirali. L'articolo "Effetto di selettività di spin indotto dalla chiralità inversa negli assiemi chirali di polimeri π-coniugati" è stato pubblicato su Nature Materials .

"I materiali organici possono trasportare lo spin su lunghe distanze, ma non sono in grado di convertire lo spin in carica, cosa necessaria per i dispositivi spintronici", spiega Diao. "Rendendo chirale la struttura di questo materiale possiamo sfruttarlo per convertire spin e carica."

"L'effetto CISS viene creato inserendo una carica in un dispositivo spintronico chirale, ma capire quanto efficientemente la carica viene convertita in spin all'interno del dispositivo è molto impegnativo perché è difficile misurare lo spin prodotto in modo quantitativo", afferma Sun. .

"L'effetto di selettività dello spin indotto dalla chiralità inversa, o ICISS, in cui si inserisce lo spin nel dispositivo e si misura la corrente risultante, non è stato studiato nei polimeri organici", afferma Sun. "Ma è molto più semplice misurare la corrente che lo spin. Ecco cosa abbiamo fatto."

Sun ha utilizzato l'eccitazione a microonde come tecnica di pompaggio spin per iniettare spin puro nel polimero organico e misurare la corrente risultante.

I ricercatori hanno scoperto che nel polimero organico chirale era possibile ottenere vite di spin fino a nanosecondi a temperatura ambiente, al contrario delle vite di picosecondi dei tradizionali materiali spintronici.

"La bellezza di questo materiale, tra le altre cose, è la sua sintonizzabilità", afferma Sun. "Possiamo modificare la chiralità, la conduttività e vedere come ciò influisce sullo spin o sull'efficienza. Ora abbiamo un modo per ottenere informazioni reali sul perché i dispositivi spintronici legati al CISS funzionano, il che potrebbe aiutarci a progettare dispositivi migliori e più efficienti."

"L'elettronica basata sui polimeri richiede molta meno energia da fabbricare rispetto all'elettronica attuale ed è facile da espandere per la produzione", afferma Diao. "Poiché i semiconduttori polimerici sono stampabili, ovvero possono essere stampati allo stesso modo dei giornali, sarebbero ideali per applicazioni portatili, flessibili ed estensibili che vanno dalle celle solari alle nuove forme di computer."

Ulteriori informazioni: "Effetto di selettività di spin indotto dalla chiralità inversa negli assiemi chirali di polimeri π-coniugati", Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01838-8

Informazioni sul giornale: Materiali naturali

Fornito dalla North Carolina State University