Spintronika staje się organiczna

W obwodach elektronicznych tranzystory i urządzenia pamięci przetwarzają i przechowują ładunek elektronu. Manipulowanie inną właściwością elektronów, zjawiskiem kwantowo-mechanicznym znanym jako spin, może prowadzić do szybszych, mniejszych i bardziej energooszczędnych komputerów. Naukowcy z Uniwersytetu Utah zrobili teraz pierwszy krok w kierunku urządzeń spintronicznych wykonanych z materiałów organicznych, które powinny być tańsze i łatwiejsze w produkcji niż z dotychczas stosowanych materiałów.

W skrócie: Fizycy Christoph Boehme (po prawej) i John Lupton znaleźli sposób na kontrolowanie prądu elektrycznego w organicznej diodzie LED poprzez zmianę stanu spinu elektronów w materiale. Jest to pierwszy krok w kierunku małych, szybkich urządzeń spintronicznych wykonanych z organicznych półprzewodników.

W artykule opublikowanym w Materiały przyrodnicze , naukowcy opisują nowatorski eksperyment, który pozwolił im zmierzyć spiny elektronów w organicznej diodzie elektroluminescencyjnej (OLED). Za pomocą pola magnetycznego byli w stanie kontrolować stan spinu materiału, co również zmieniało prąd elektryczny wychodzący z urządzenia.

Praktyczne urządzenie spintroniczne musiałoby wykorzystywać prąd elektryczny do kontrolowania i odczytywania obrotów. Mimo że naukowcy z Utah wykorzystali pole magnetyczne do kontrolowania spinu, ich prace wskazują na możliwość spintroniki w półprzewodnikach organicznych, mówi Johan van Tol, który prowadzi badania spintroniczne w Narodowe Laboratorium Silnego Pola Magnetycznego w Tallahassee, Floryda. Mówi, że manipulowanie spinem zostało wykonane w innych materiałach, ale nie w tego rodzaju polimerach.

Urządzenia spintroniczne najłatwiej wytwarza się z metali magnetycznych, a naukowcy donoszą również o postępach w wytwarzaniu ich z konwencjonalnych półprzewodników nieorganicznych, takich jak arsenek krzemu i galu. Ale użycie półprzewodników organicznych może mieć duże zalety. [Urządzenia organiczne] są łatwe do wykonania, łatwe do złożenia i struktury; to wszystko jest bardzo tanie, mówi Christoph Boehme , adiunkt fizyki w Utah i współautor nowej pracy. Możesz umieścić je na elastycznym podłożu, a także możesz je umieścić za pomocą druku atramentowego.

Spin elektronu może przybierać jeden z dwóch kierunków: w górę iw dół. W konwencjonalnych obwodach elektronicznych prąd płynący przez tranzystor reprezentuje bit o wartości jeden , natomiast brak prądu oznacza bit o wartości 0 . W urządzeniu spintronicznym jeden oraz 0 są reprezentowane przez rotację w górę lub w dół.

Aby stworzyć funkcjonalne urządzenie spintroniczne, ważne jest dokładne zmierzenie kierunku wirowania. W tej chwili elektrony o wyrównanych spinach mogą być wstrzykiwane do materiału, ale ustalenie, czy te elektrony zachowują swoje spiny, jest ważne, jeśli ten spin ma być kontrolowany w urządzeniu.

W swoim eksperymencie Boehme i jego koledzy odczytali spin w polimerowym OLED, mierząc wypływający z niego prąd. Przymocowali elektrody do urządzenia i bombardowali je impulsem mikrofalowym co 500 mikrosekund.

Boehme wyjaśnia, że ​​spin można traktować jako maleńki magnes sztabkowy, skierowany w określonym kierunku. W diodach LED, gdy napięcie jest przyłożone w określonym kierunku, ujemnie naładowane elektrony i dodatnio naładowane dziury tworzą pary. Każda para następnie rozpada się lub traci część energii, emitując foton. Ponieważ elektron i dziura mają określony spin, para elektron-dziura może przyjąć jeden z czterech stanów spinu: góra-góra, góra-dół, dół-góra i dół-dół. Tylko jeden z tych czterech może się rozpaść i wytworzyć światło, mówi Boehme. Oznacza to, że diody OLED wykonane z polimeru prawdopodobnie nie osiągną wydajności większej niż 25 proc. – dodaje.

Jednocześnie kierunek wirowania cząstki może się zmienić. Tak więc spośród wszystkich par elektron-dziura utworzonych w materiale LED, mówi Boehme, jedna z tych, które nie mogą [emitować światła], może nagle zmienić się w jeden z czterech stanów, które mogą wytwarzać światło. Więcej stanów emitujących światło zwiększa wydajność świetlną materiału, ale ponieważ elektrony i dziury ulegają anihilacji, prąd maleje.

Impuls mikrofalowy zmienia spiny w polimerowym OLED w sposób określony przez długość i częstotliwość impulsu. Rezultatem jest naprzemienne tworzenie większej lub mniejszej liczby stanów emitujących światło, zmniejszając i zwiększając prąd. Im większa częstotliwość impulsu mikrofalowego, tym szybciej prąd rośnie i maleje.

Pokazaliśmy, że kiedy spójnie manipulujesz spinami, kiedy obracasz je z góry na dół i wszystko pomiędzy, możesz zobaczyć odcisk ruchu wirowania na mierzonym prądzie, mówi Boehme.

Naukowcy są przekonani, że ich praca może również pomóc ulepszyć diody OLED. Wprowadzanie zanieczyszczeń do materiałów polimerowych może zmienić szybkość, z jaką elektrony w materiale zmieniają spiny, mówi Boehme. Mogłoby to tworzyć coraz więcej stanów emitujących światło, zwiększając wydajność OLED o ponad 25 procent i prowadzić do jaśniejszych urządzeń.

ukryć