Et nyt spin på elektronik:Undersøgelse opdager et mirakelmateriale inden for spintronics

Et team ledet af University of Utah har opdaget, at en klasse af "mirakelmaterialer" kaldet organisk-uorganiske hybridperovskitter kan være en spilskifter for fremtidige spintronic-enheder.

Spintronics bruger elektronens spin -retning - enten op eller ned - til at transportere information i enere og nuller. En spintronic -enhed kan behandle eksponentielt flere data end traditionel elektronik, der bruger ebbe og strøm af elektrisk strøm til at generere digitale instruktioner. Men fysikere har kæmpet for at gøre spintronic -apparater til virkelighed.

Den nye undersøgelse, offentliggjort online i dag i Naturfysik , er den første til at vise, at organisk-uorganiske hybridperovskitter er en lovende materialeklasse for spintronics. Forskerne opdagede, at perovskitterne besidder to modstridende egenskaber, der er nødvendige for at få spintroniske enheder til at fungere - elektronernes spin kan let styres, og kan også opretholde rotationsretningen længe nok til at transportere oplysninger, en ejendom kendt som spin -levetid.

"Det er en enhed, som folk altid har ønsket at lave, men der er store udfordringer ved at finde et materiale, der kan manipuleres og, på samme tid, har en lang centrifugeringstid, "siger Sarah Li, adjunkt i Institut for Fysik &Astronomi ved U og hovedforfatter af undersøgelsen. "Men for dette materiale, det er selve materialets egenskab, der tilfredsstiller begge dele. "

Mirakelmaterialet

Organisk-uorganisk hybrid perovskitter er allerede kendt i videnskabelige kredse for at være fantastisk effektiv til at konvertere sollys til elektricitet.

"Det er utroligt. Et mirakelmateriale, "siger Z. Valy Vardeny, fremragende professor i Institut for Fysik og Astronomi og medforfatter af undersøgelsen, hvis laboratorium undersøger perovskite solceller. "På bare få år, solceller baseret på dette materiale har en effektivitet på 22 procent. Og nu har den denne spin -levetidsejendom. Det er fantastisk."

Materialets kemiske sammensætning er en usandsynlig kandidat til spintronics, imidlertid. Hybriden perovskit uorganisk ramme er lavet af tunge elementer. Jo tungere atomet, jo lettere er det at manipulere elektron -spin. Det er godt for spintronics. Men andre kræfter påvirker også drejningen. Når atomerne er tunge, du går ud fra, at spin -levetiden er kort, forklarer Li.

"De fleste mennesker i feltet ville ikke tro, at dette materiale har en lang spin -levetid. Det er overraskende for os, også, "siger Li." Vi har ikke fundet ud af den nøjagtige årsag endnu. Men det er sandsynligvis noget iboende, selve materialets magiske egenskab. "

Spintronics:Det magnetiske øjeblik, hvor ...

Mobiltelefoner, computere og anden elektronik har siliciumtransistorer, der styrer strømmen af ​​elektriske strømme som små dæmninger. Efterhånden som enhederne bliver mere kompakte, transistorer skal håndtere den elektriske strøm i mindre og mindre områder.

"Siliciumteknologien, kun baseret på elektronladning, når sin størrelsesgrænse, "siger Li, "Størrelsen på ledningen er allerede lille. Hvis den bliver mindre, det kommer ikke til at fungere på en klassisk måde, som du tænker på. "

"Folk tænkte, "Hvordan øger vi mængden af ​​information i et så lille område?" Tilføjer Vardeny. "Hvad gør vi for at overvinde denne grænse?"

"Spintronics, "svarer fysik.

Spintronics bruger elektronens spin i sig selv til at transportere information. Elektroner er dybest set små magneter, der kredser om et element. Ligesom Jorden har sin egen orientering i forhold til solen, elektroner har deres egen spin -orientering i forhold til kernen, der kan justeres i to retninger:"Op, "som repræsenterer en, og "ned, "som repræsenterer et nul. Fysikere relaterer elektronens" magnetiske øjeblik "til dets spin.

Ved at tilføje spin til traditionel elektronik, du kan behandle eksponentielt flere oplysninger end at bruge dem klassisk baseret på mindre eller mere afgift.

"Med spintronics, ikke kun har du enormt flere oplysninger, men du er ikke begrænset af transistorens størrelse. Grænsen i størrelse vil være størrelsen på det magnetiske moment, som du kan registrere, som er meget mindre end transistorens størrelse i dag, ”siger Vardeny.

Eksperimentet med at indstille elektron -spin

Indstilling af et elektron -spin er som at stemme en guitar, men med en laser og en masse spejle.

Først, forskerne dannede en tynd film fra hybridperovskit-methyl-ammonium-blyjod (CH3NH3PbI3) og placerede det foran en ultrahurtig laser, der skyder meget korte lyspulser 80 millioner gange i sekundet. Forskerne er de første til at bruge lys til at indstille elektronens spinorientering og observere spin -recessionen i dette materiale.

De opdeler laseren i to stråler; den første ramte filmen for at indstille elektron -spin i den ønskede retning. Den anden stråle bøjer gennem en række spejle som en flipperspiller, før den rammer perovskitfilmen med stigende tidsintervaller for at måle, hvor længe elektronen holdt spin i den forberedte retning.

De fandt ud af, at perovskitten har en overraskende lang centrifugeringstid - op til nanosekund. Spinnet vender mange gange i løbet af et nanosekund, hvilket betyder, at en masse oplysninger let kan gemmes og manipuleres i løbet af den tid.

Når de først har bestemt den lange centrifugeringstid, forskerne testede, hvor godt de kunne manipulere drejningen med et magnetfelt.

"Spinnet er som kompasset. Kompasset drejer i dette magnetfelt vinkelret på det kompas, og til sidst stopper det med at snurre, "siger Li." Sig, at du indstillede centrifugeringen til 'op, 'og du kalder det' en '. Når du udsætter det for magnetfeltet, centrifugeringen ændrer retning. Hvis den roterede 180 grader, det skifter fra et til nul. Hvis den roterede 360 ​​grader, det går fra en til en. "

De fandt ud af, at de kunne rotere centrifugeringen mere end 10 omgange ved at udsætte elektronen for forskellige styrker af magnetfelt.

Potentialet for dette materiale er enormt, siger Vardeny. Det kunne behandle data hurtigere og øge tilfældig adgangshukommelse.

"Jeg siger dig, det er et mirakelmateriale, ”siger Vardeny.