פריצת דרך בתחום הספינטרוניקה הושגה על ידי שינוי נוריות לשליטה בספין אלקטרונים באמצעות חומר כיראלי חדש, המאפשר עיבוד נתונים יעיל יותר והתקדמות מבטיחה ביכולות של מכשירים אלקטרוניים. (קונצרט של אמן). קרדיט: twoday.co.il.com
מסנן הספין הכיראלי, עשוי מחומר הליד פרוסקיט היברידי אורגני-אי-אורגני, אפשר לנורות LED קונבנציונליות לתמרן את כיוון הספין של אלקטרונים בטמפרטורת החדר מבלי להזדקק לפרומגנטים או שדה מגנטי, ולהתגבר על מחסום מרכזי בפני ספינטרוניקה מסחרית.
ההתקדמות האחרונה בתחום הספינטרוניקה הובילה לפיתוח של נוריות LED ששולטות בספין האלקטרונים ללא פרומגנטים או שדות מגנטיים, תוך שימוש במסנן ספין חדש העשוי מפרובסקיטים הלידים אורגניים-אי-אורגניים היברידיים כיראליים. טכנולוגיה זו, המאפשרת עיבוד נתונים יעיל יותר על ידי הקצאת ערכים בינאריים למצבי ספין אלקטרונים, מסמנת קפיצת מדרגה משמעותית בשילוב ספינטרוניקה עם טכנולוגיות מוליכים למחצה קיימות.
שימוש באלקטרוניקה מסורתית מוליכים למחצה לשדר נתונים על ידי שימוש בהתפרצויות של נשאים טעונים (אלקטרונים או חורים) כדי לייצג הודעות בצורה של "1s" ו- "0s". לעומת זאת, מכשירי ספינטרוניק יכולים להתמודד עם מידע משמעותי יותר על ידי הקצאת קוד בינארי על סמך כיוון הקטבים המגנטיים של האלקטרונים, תכונה המכונה ספין. סיבוב "למעלה" מייצג 1, בעוד שסיבוב "למטה" מייצג 0.
מחסום עיקרי בפני ספינטרוניקה מסחרית הוא הגדרה ושמירה על אוריינטציה של ספין האלקטרונים. רוב המכשירים מכוונים את כיוון הספין באמצעות פרומגנטים ושדות מגנטיים, תהליך מכביד ולא אמין. עשרות שנים של מחקר הראו שנשאים מאבדים את כיוון הספין שלהם נעים מחומרים עם מוליכות גבוהה למוליכות נמוכה – למשל, מפרומגנטים מתכתיים לסיליקון לא מסומן וחומרים פולימרים מצומדים המרכיבים את רוב המוליכים למחצה המודרניים.
בפעם הראשונה, מדענים הפכו מכשירים אופטו-אלקטרוניים קיימים לכאלה שיכולים לשלוט בספין אלקטרוני בטמפרטורת החדר, ללא פרומגנט או שדה מגנטי.
רוב המכשירים האופטואלקטרוניים, כגון נוריות LED, שולטים רק במטען ובאור, אך לא בספין של האלקטרונים. במחקר חדש שהובילו פיזיקאים וחוקרים מאוניברסיטת יוטה במעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL), החליפו את האלקטרודות של נוריות LED שנרכשו בחנות במסנן ספין פטנט, העשוי מחומר הליד פרובסקיט היברידי אורגני-אי-אורגני. הנוריות הפיקו אור מקוטב מעגלי, סימן מובהק לכך שהמסנן הזריק אלקטרונים מיושרים ספין לתוך תשתית המוליכים למחצה הקיימת של LED, צעד אדיר קדימה עבור טכנולוגיית הספינטרוניקה.
ערימה של ספין-LED פולטת אלקטרולומיננסנציה מקוטבת מעגלית. ה-(R-MBA2Pbl) פועל כמסנן ספין, המאפשר רק לנשאים מקוטבים (עיגולים כחולים) לזרום דרך ה-LED ולשלב מחדש בבארות הקוונטיות המרובות (MQW) הפולטות אור מקוטב מעגלי (סליל צהוב). קרדיט: Hautzinger, M. et al. טבע (2024)
"זה נס. במשך עשרות שנים, לא הצלחנו להזריק ביעילות אלקטרונים מיושרים ספין לתוך מוליכים למחצה בגלל חוסר ההתאמה של פרומגנטים מתכתיים ומוליכים למחצה לא מגנטיים", אמר ואלי ורדני, פרופסור מכובד במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה ב-U ושותפו. מחבר העיתון. "כל מיני מכשירים המשתמשים בספין ובאופטואלקטרוניקה, כמו נוריות LED או זיכרון מגנטי, יתרגשו מהגילוי הזה".
המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת טֶבַע.
מסנני ספין
בשנת 2021, אותם משתפי פעולה פיתחו את הטכנולוגיה הפועלת כמסנן ספין פעיל העשוי משתי שכבות עוקבות של חומר, הנקראים פרוסקיטים הלידים אורגניים-אי-אורגניים כיראליים היברידיים. כיראליות מתארת סימטריה של מולקולה, שבה לא ניתן להצמיד את תמונת המראה שלה על עצמה. ידי אדם הן הדוגמה הקלאסית; תחזיק את שלך החוצה, כפות הידיים פונות. הידיים הימניות והשמאליות מסודרות כמראות אחת של השנייה – אתה יכול להעיף את יד ימין ב-180 מעלות כדי להתאים לצללית, אבל כעת כף היד הימנית פונה אלייך בעוד כף היד השמאלית פונה החוצה. הם לא אותו דבר.
כמה מולקולות, כגון DNA, סוכר ושכבות של פרוסקיטים אורגניים-הלידים כיראליים היברידיים, האטומים שלהם מסודרים בסימטריה כיראלית. המסנן פועל על ידי שימוש בשכבה כיראלית מכוונת "יד שמאל" כדי לאפשר לאלקטרונים עם ספינים "למעלה" לעבור, אך לחסום אלקטרונים עם ספינים "למטה", ולהיפך. באותו זמן, המדענים טענו שניתן להשתמש בתגלית כדי להפוך את האלקטרוניקה האופטו-אלקטרונית הקונבנציונלית להתקנים ספינטרוניים פשוט על ידי שילוב מסנן הספין הכיראלי. המחקר החדש עשה בדיוק את זה.
"לקחנו נורית מהמדף. הסרנו אלקטרודה אחת ושמנו את חומר מסנן הספין ועוד אלקטרודה רגילה. והרי! האור היה מקוטב מעגלי מאוד", אמר ורדני.
כימאים מה-NERL יצרו את נוריות הספין על ידי ערימת מספר שכבות, שלכל אחת מהן תכונות פיזיקליות ספציפיות. השכבה הראשונה היא אלקטרודה מתכתית שקופה נפוצה; החומר של השכבה השנייה חוסם אלקטרונים שיש להם ספין בכיוון הלא נכון, שכבה שהמחברים מכנים מסנן ספין המושרה על ידי כיראליות. לאחר מכן, האלקטרונים המיושרים לספין מתחברים מחדש בשכבה השלישית, מוליך למחצה סטנדרטי המשמש כשכבה פעילה בנורות LED רגילות. האלקטרונים המוזרקים מיושרים ספין גורמים לשכבה זו לייצר פוטונים הנעים יחד לאורך נתיב ספירלי, ולא תבנית גלים קונבנציונלית, כדי לייצר את האלקטרולומינצית המעגלית המקוטבת של ה-LED.
"עבודה זו מדגימה את היכולת הייחודית והעוצמתית של מוליכים למחצה 'היברידיים' מתעוררים אלה לשלב ולנצל את ההשפעה ההדדית של המאפיינים המובהקים של מערכות אורגניות ואי-אורגניות", אמר מתיו בירד, מחבר שותף במחקר של NREL. "כאן הכיראליות מושאלת מהמולקולות האורגניות ומספקת שליטה על ספין בעוד שהרכיב האנאורגני מכוון את הרכיב האורגני ומספק מוליכות או מטען יתר."
ברגע שהם התקינו את המסנן לתוך LED סטנדרטי, שין פאן, עוזר מחקר במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה ב-U, אישר שהמכשיר עובד כמתוכנן, כלומר על ידי אלקטרונים מיושרים ספין. עם זאת, יש צורך במחקר נוסף כדי להסביר את המנגנונים המדויקים הפועלים ליצירת הספינים המקוטבים.
"זו השאלה של 64,000 דולר לתיאורטיקן לענות", אמר ורדני. "זה באמת נס. והנס הוא בלי לדעת את המנגנון הבסיסי המדויק. אז זה היופי בלהיות נסיוני. אתה פשוט תנסה את זה."
המחברים טוענים כי מדענים אחרים יכולים ליישם את הטכניקה באמצעות חומרים כיראליים אחרים, כגון DNA, בהקשרים רבים.
העבודה נתמכה כחלק מהמרכז למוליכים למחצה אורגניים היברידיים אורגניים לאנרגיה (CHOISE) מרכז מחקר חזית האנרגיה במשרד האנרגיה האמריקאי, וסוכנות המחקר הלאומית הצרפתית.
