Spintronics mirakelmateriale sat på prøve

Da den tyske mineralog Gustav Rose stod på skråningerne af Ruslands Uralbjerge i 1839 og hentede et stykke af et tidligere uopdaget mineral, han havde aldrig hørt om transistorer eller dioder eller havde nogen idé om, hvordan konventionel elektronik ville blive en integreret del af vores daglige liv. Han kunne ikke have forudset, at den sten, han holdt i hånden, som han kaldte "perovskite, " kunne være en nøgle til at revolutionere elektronik, som vi kender dem.

I 2017 University of Utah fysiker Valy Vardeny kaldte perovskite et "mirakelmateriale" til et spirende felt af næste generations elektronik, kaldet spintronics, og han står ved den påstand. I et papir offentliggjort i dag i Naturkommunikation , Vardeny, sammen med Jingying Wang, Dali Sun (nu ved North Carolina State University) og kolleger præsenterer to enheder bygget ved hjælp af perovskite for at demonstrere materialets potentiale i spintroniske systemer. dens egenskaber, Vardeny siger, bringe drømmen om en spintronic transistor et skridt tættere på virkeligheden.

Spintronics

Et konventionelt digitalt elektronisk system formidler et binært signal (tænk 1s og 0s) gennem impulser af elektroner, der føres gennem en ledende ledning. Spintronics kan formidle yderligere information via en anden karakteristik af elektroner, deres rotationsretning (tænk op eller ned). Spin er relateret til magnetisme. Så spintronics bruger magnetisme til at justere elektroner af et bestemt spin, eller "injicer" spin ind i et system.

Hvis du nogensinde har lavet det gamle videnskabelige eksperiment med at forvandle et søm til en magnet ved gentagne gange at trække en magnet langs dens længde, så har du allerede dykket med spintronics. Magneten overfører information til neglen. Tricket er så at transportere og manipulere den information, som kræver enheder og materialer med finjusterede egenskaber. Forskere arbejder hen imod milepælen for en spintransistor, en spintronics-version af de elektroniske komponenter, der findes i stort set al moderne elektronik. En sådan enhed kræver et halvledermateriale, hvor et magnetfelt nemt kan manipulere retningen af ​​elektronernes spin - en egenskab kaldet spin-orbit kobling. Det er ikke let at bygge sådan en transistor, siger Wang. "Vi bliver ved med at søge efter nye materialer for at se, om de er mere egnede til dette formål."

Her er hvor perovskites kommer i spil.

Perovskites

Perovskites er en klasse af mineraler med en bestemt atomstruktur. Deres værdi som teknologisk materiale er først blevet tydelig i de sidste 10 år. På grund af den atomare struktur, forskere har udviklet perovskit til et materiale til fremstilling af solpaneler. I 2018 havde de opnået en effektivitet på op til 23 procent af solenergien omdannet til elektrisk energi – et stort skridt op fra 3,8 procent i 2009.

I mellemtiden, Vardeny og hans kolleger udforskede mulighederne for spintronics og de forskellige materialer, der kunne vise sig effektive til at overføre spin. På grund af tunge blyatomer i perovskit, fysikere forudsagde, at mineralet kan have en stærk spin-kredsløbskobling. I et papir fra 2017, Vardeny og fysikassistent professor Sarah Li viste, at en klasse af perovskitter kaldet organisk-uorganiske hybridperovskitter faktisk har stor spin-kredsløbskobling. Også, levetiden af ​​spin indsprøjtet i hybridmaterialerne varede relativt lang tid. Begge resultater tydede på, at denne form for hybrid perovskit holdt løfte som et spintronikmateriale.

To spintronic enheder

Det næste skridt, som Vardeny og Wang opnåede i deres seneste arbejde, var at inkorporere hybrid perovskit i spintroniske enheder. Den første enhed er en spintronisk lysemitterende diode, eller LED. Halvlederen i en traditionel LED indeholder elektroner og huller - steder i atomer, hvor elektroner skal være, men er det ikke. Når elektroner strømmer gennem dioden, de fylder hullerne og udsender lys.

Wang siger, at en spintronic LED fungerer meget på samme måde, men med en magnetisk elektrode, og med elektronhuller polariseret til at rumme elektroner af et bestemt spin. LED'en lyste op med cirkulært polariseret elektroluminescens, Wang siger, viser, at den magnetiske elektrode med succes overførte spin-polariserede elektroner til materialet.

"Det er ikke indlysende, at hvis du sætter en halvleder og en ferromagnet sammen, får du en spin-indsprøjtning, " tilføjer Vardeny. "Du skal bevise det. Og de beviste det."

Den anden enhed er en spin-ventil. Lignende enheder findes allerede og bruges i enheder som computerharddiske. I en spin-ventil, et eksternt magnetfelt vender polariteten af ​​magnetiske materialer i ventilen mellem en åben, lav-modstandstilstand og en lukket, tilstand med høj modstand.

Wang og Vardenys spin-ventil gør mere. Med hybrid perovskit som enhedsmateriale, forskerne kan sprøjte spin ind i enheden og derefter få spindet til at præcessere, eller slingre, inde i enheden ved hjælp af magnetisk manipulation.

Det er en stor sag, siger forskerne. "Du kan udvikle spintronics, der ikke kun er nyttige til registrering af information og datalagring, men også beregning, " Wang siger. "Det var et første mål for de mennesker, der startede feltet af spintronics, og det er det, vi stadig arbejder på."

Taget sammen, disse eksperimenter viser, at perovskit fungerer som en spintronisk halvleder. Det ultimative mål med en spin-baseret transistor er stadig flere skridt væk, men denne undersøgelse lægger et vigtigt grundlag for vejen frem.

"Det, vi har gjort, er at bevise, at det, folk troede var muligt med perovskit, faktisk sker, " siger Vardeny. "Det er et stort skridt."