Spin på perovskitforskning fremmer potentialet for kvanteberegning

Den næste generation af informationsteknologi kan drage fordel af spintronik - elektronik, der bruger de små magnetfelter, der stammer fra spinningelektroner såvel som de elektriske ladninger af selve elektronerne - til hurtigere, mindre elektroniske enheder, der bruger mindre energi.

Nyligt udgivet arbejde af forskere ved National Renewable Energy Laboratory og University of Utah kan finde ud af den fremtidige succes med spin-baseret elektronik. De har vist, at transporten af ​​elektroner med en bestemt spin-tilstand gennem en todimensionel hybrid organisk-uorganisk perovskit kan manipuleres ved at indføre særlige organiske molekyler i flerlagsstrukturen. Disse er chirale, hvilket betyder, at de foretrækker den ene elektronhelicitet frem for den anden.

Det nye papir, "Spinafhængig ladningstransport gennem 2-D kirale hybrid bly-iodid perovskitter, "vises i journalen Videnskab fremskridt . Forskerne arbejdede sammen under paraplyen fra Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), et Energy Frontier Research Center finansieret af U.S. Department of Energy's Office of Science, Grundlæggende energifag.

Haipeng Lu, en postdoktor, der arbejder med Matthew C. Beard, seniorforsker ved NREL og direktør for CHOISE, og Z. Valy Vardeny, Fremstående professor i fysik fra U, er hovedforfattere af papiret.

"Vi opdagede, at flerlagsstrukturen fungerer som et naturligt centrifugeringsfilter, som kan bruges til at injicere spin -justerede elektroner i aktive lag uden behov for et eksternt magnetfelt. Dette er begyndelsen på et nyt paradigme for spintronics uden et magnetfelt, sagde Vardeny.

En elektron kan enten have "op" eller "ned" spins, og elektroner med modsatte spins kan optage den samme elektroniske tilstand. Den centrale udfordring i en spintronic-enhed er at kontrollere den spin-polariserede elektrontæthed; det er, at manipulere antallet af elektroner med veldefinerede spin-tilstande. Spin-baseret kvanteberegning, for eksempel, vil kræve evnen til at kontrollere og adressere disse individuelle spin -tilstande. En måde at kontrollere spin-polariserede strømme er gennem "chiral-induceret spin-selektivitet, "hvor transporten af ​​elektroner med" op "eller" ned "spin -tilstande afhænger af transportmaterialernes chiralitet - en strukturel egenskab ved et system, hvor dets spejlbillede ikke er overlejret på sig selv. F.eks. et "venstrehåndet" orienteret kiralt system kan muliggøre transport af elektroner med "op" -spins, men blokere elektroner med "ned" -spins og vice vers.

Forskerne har demonstreret, hvordan man integrerer et kiralt organisk undergitter i en uorganisk ramme, skabe et kiralt system, der kan transportere elektroner med den ønskede spin -kontrol. Disse hybrid organiske/uorganiske lagdelte perovskitter foretrækker at udføre en centrifugeringstilstand afhængigt af "hånden" af chirale organiske molekyler. Dermed, de chirale perovskitfilm fungerer som et spin -filter.

Dette arbejde åbner døren for fremtidige spintronic -enheder baseret på chirale perovskit -spin -filtre.

Forskningen bygger på en tilfældig opdagelse Beard's team gjorde for flere år siden, at perovskitmaterialer udviser en effektiv optisk Stark -effekt ved stuetemperatur. Effekten kan bruges til at styre eller adressere individuelle spin -tilstande ved hjælp af optiske lyspulser. Mens spin-optoelektroniske enheder baseret på hybrid organisk-uorganiske perovskitter er blevet foreslået teoretisk, Vardeny og hans medforskere ved University of Utah annoncerede tidligere på året, at de var i stand til at demonstrere sådanne enheder, herunder spin-ventiler og spin-LED'er.

De spin-filtre, der er udviklet her, er en anden komponent i perovskit-baserede spintronic-applikationer.

CHOISE leverede finansieringen gennem det amerikanske energiministerium, Office of Basic Energy Sciences som en del af et Energy Frontier Research Center.