通过使用一种新的手性材料修改led以控制电子自旋，实现了自旋电子学的突破，从而实现了更有效的数据处理和电子设备功能的有希望的进步。(艺术家的音乐会)。来源:SciTechDaily.com
手性自旋过滤器由有机-无机卤化物钙钛矿混合材料制成，允许co传统的led可以在室温下操纵电子的自旋方向，而不需要铁磁体或磁场，克服了商业自旋电子学的主要障碍。
旋转术的最新进展nic已经导致了改进led的发展利用手性杂化有机-无机卤化物钙钛矿制备的新型自旋过滤器，在没有铁磁体或磁场的情况下控制电子自旋。该技术通过为电子自旋态分配二进制值来实现更有效的数据处理，标志着自旋态集成的重大飞跃具有现有半符号的网卡合技术。
传统的电子学使用半导体来传输数据，利用带电载流子(电子或空穴)的爆发来以“1”和“0”的形式表示信息。相比之下，自旋电子设备可以根据电子磁极的方向(一种被称为自旋的特性)分配二进制代码，从而处理更多的信息。“向上”自旋表示1，而“向下”自旋表示0。
商业自旋电子学的一个主要障碍是设置和保持电子自旋方向。大多数设备使用铁磁体和磁场来调整自旋方向，这是一个繁琐且不可靠的过程。几十年的研究表明，载流子在从高导电性材料向低导电性材料移动时失去了自旋方向——例如，从金属铁磁体到构成大多数现代半导体的未掺杂硅和共轭聚合物材料。
科学家们首次将现有的光电器件改造成可以在室温下控制电子自旋的器件，而不需要铁磁体或磁场。
大多数光电器件，如led，只能控制电荷和光，而不能控制电子的自旋。在犹他大学的物理学家和国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员领导的一项新研究中，用一种由有机-无机卤化物钙钛矿混合材料制成的专利自旋过滤器取代了商店购买的led电极。LED产生圆偏振光，这表明滤光片将自旋电子注入到LED现有的半导体基础设施中，这是自旋电子学技术向前迈出的一大步。
发射圆极化电致发光的自旋led堆叠。(R-MBA2Pbl)充当自旋滤波器，只允许极化载流子(蓝色圆圈)流过LED，并在发射圆偏振光(黄色螺旋)的多量子阱(MQW)中重新组合。资料来源:Hautzinger, M.等人。自然(2024)
“这是一个奇迹。几十年来，由于金属铁磁体和非磁性半导体的不匹配，我们一直无法有效地将自旋排列的电子注入半导体，”U物理与天文系杰出教授、该论文的合著者Valy Vardeny说。“所有使用自旋和光电子学的设备，如自旋led或磁存储器，都会对这一发现感到兴奋。”
这项研究最近发表在《自然》杂志上。
自旋过滤器
2021年，同样的合作者开发了一种技术，该技术由两层连续的材料制成，称为手性杂化有机-无机卤化物钙钛矿。手性描述了分子的对称性，即它的镜像不能与自身重叠。人的手就是一个经典的例子;伸出手，掌心朝外。右手和左手互为镜子，你可以将右手翻转180度以配合剪影，但现在右手掌心朝向你，而左手掌心朝向别处。它们不一样。
一些分子，如DNA、糖和手性杂化有机卤化物钙钛矿层，它们的原子以手性对称排列。过滤器的工作原理是使用一个“左”向的手性层，允许自旋为“上”的电子通过，但阻止自旋为“下”的电子通过，反之亦然。当时，科学家们声称，只要加入手性自旋滤波器，这一发现就可以用来将传统的光电子器件转变为自旋电子器件。这项新研究正是这样做的。
“我们从架子上拿了一个LED。我们取下一个电极，放入自旋过滤材料和另一个常规电极。瞧!光线是高度圆偏振的，”瓦尔德尼说。
NERL的化学家们通过堆叠几层来制造自旋led，每层都有特定的物理性质。第一层为普通透明金属电极;第二层的材料阻止电子自旋方向错误，这一层被作者称为手性诱导自旋过滤器。然后，自旋排列的电子在第三层重新组合，这是一种标准的半导体，在普通led中用作有源层。注入的自旋排列的电子使这一层产生沿螺旋路径一致移动的光子，而不是传统的波形，从而产生LED标志性的圆形极化电致发光，
“这项工作展示了这些新兴的‘混合’半导体的独特而强大的能力，可以结合并利用有机和无机系统的不同特性的相互作用，”NREL研究的合著者马修·比尔德说。“这里的手性是从有机分子中借来的，可以控制自旋，而无机成分既可以定向有机成分，又可以提供导电性或控制过电荷。”
一旦他们将滤光片安装到一个标准的LED中，U物理与天文系的研究助理潘欣(音)证实，该设备按预期工作，即通过自旋排列的电子。然而，需要更多的研究来解释产生极化自旋的确切机制。
“这是一个价值6.4万美元的问题，需要理论家来回答，”瓦尔德尼说。“这真是一个奇迹。奇迹是在不知道确切的潜在机制的情况下。这就是做实验主义者的美妙之处。你就试试吧。”
作者断言，其他科学家可以在许多情况下使用其他手性材料(如DNA)应用该技术。
参考文献:Matthew P. Hautzinger, Xin Pan, Steven C. Hayden, Jiselle Y. Ye, Qi Jiang, Mickey J. Wilson, Alan J. Phillips, Yifan Dong, Emily K. Raulerson, Ian a . Leahy, chunsheng Jiang, Jeffrey L. Blackburn, Joseph M. Luther, Yuan Lu, Katherine Jungjohann, Z. valley Vardeny, Joseph J. Berry, Kirstin Alberi和Matthew C. Beard, 2024年6月19日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 024 - 07560 - 4
这项工作得到了美国能源部混合有机无机半导体能源前沿研究中心(CHOISE)和法国国家研究机构的支持。
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