211service.com
Spintronics gaat biologisch
In elektronische schakelingen verwerken en bewaren transistors en geheugenapparaten de lading van een elektron. Het manipuleren van een andere eigenschap van elektronen, het kwantummechanische fenomeen dat bekend staat als spin, zou kunnen leiden tot snellere, kleinere en energiezuinigere computers. Onderzoekers van de Universiteit van Utah hebben nu een eerste stap gezet in de richting van spintronische apparaten gemaakt van organische materialen, die goedkoper en gemakkelijker te maken zouden moeten zijn dan met tot nu toe gebruikte materialen.
In een draai: Natuurkundigen Christoph Boehme (rechts) en John Lupton hebben een manier gevonden om een elektrische stroom in een organische LED te regelen door de spintoestand van elektronen in het materiaal te veranderen. Dit is een eerste stap in de richting van kleine, snelle spintronische apparaten gemaakt van organische halfgeleiders.
In een paper gepubliceerd in Natuurmaterialen , schetsen de onderzoekers een nieuw experiment waarmee ze de elektronenspins in een organische lichtemitterende diode (OLED) konden meten. Met behulp van een magnetisch veld waren ze in staat om de spintoestand van het materiaal te regelen, waardoor ook de elektrische stroom die uit het apparaat kwam, veranderde.
Een praktisch spintronisch apparaat zou elektrische stroom moeten gebruiken om spins te regelen en te lezen. Hoewel de Utah-onderzoekers een magnetisch veld gebruikten om de spin te controleren, demonstreert hun werk de mogelijkheid van spintronica in organische halfgeleiders, zegt Johan van Tol, die spintronica-onderzoek doet aan de Nationaal laboratorium voor hoog magnetisch veld in Tallahassee, Florida. Het manipuleren van spin is gedaan in andere materialen, maar niet in dit soort polymeren, zegt hij.
Spintronische apparaten worden het gemakkelijkst gemaakt van magnetische metalen, en onderzoekers hebben ook vorderingen gemeld bij het maken van conventionele anorganische halfgeleiders zoals silicium en galliumarsenide. Maar het gebruik van organische halfgeleiders kan grote voordelen hebben. [Organische apparaten] zijn gemakkelijk te maken, gemakkelijk te deponeren en te structureren; het is allemaal erg goedkoop, zegt Christoph Boehme , een assistent-professor natuurkunde in Utah en een co-auteur van het nieuwe artikel. Je kunt ze deponeren op een flexibel substraat, en je kunt ze deponeren met inkjetprinten.
Elektronenspin kan twee richtingen aannemen: omhoog en omlaag. In conventionele elektronische circuits vertegenwoordigt de stroom die door een transistor vloeit een bit met een waarde van een , terwijl afwezigheid van stroom een bit betekent met een waarde van 0 . In een spintronisch apparaat, een en 0 worden weergegeven door een opwaartse of neerwaartse spin.
Om een functioneel spintronisch apparaat te maken, is het belangrijk om de spinrichting nauwkeurig te meten. Op dit moment kunnen elektronen met uitgelijnde spins in een materiaal worden geïnjecteerd, maar het bepalen of die elektronen hun spins behouden, is belangrijk als die spin in een apparaat moet worden gecontroleerd.
In hun experiment lazen Boehme en zijn collega's de spin in een polymeer OLED door de stroom die eruit komt te meten. Ze bevestigden elektroden op het apparaat en bestookten het elke 500 microseconden met een microgolfpuls.
Boehme legt uit dat spin kan worden gezien als een kleine staafmagneet die in een bepaalde richting wijst. In een LED, wanneer de spanning in een bepaalde richting wordt aangelegd, vormen negatief geladen elektronen en positief geladen gaten paren. Elk paar vervalt vervolgens, of verliest wat energie, waarbij een foton wordt uitgezonden. Omdat het elektron en het gat elk een specifieke spin hebben, kan het elektron-gat-paar een van de vier spintoestanden aannemen: up-up, up-down, down-up en down-down. Slechts één van deze vier kan vergaan en licht produceren, zegt Boehme. Dit betekent dat OLED's die van het polymeer zijn gemaakt, waarschijnlijk niet een efficiëntie van meer dan 25 procent zullen halen, voegt hij eraan toe.
Tegelijkertijd kan de draairichting van een deeltje veranderen. Dus van alle elektron-gatparen die in het LED-materiaal zijn gevormd, zegt Boehme, kan een van de paren die geen [licht uitstralen] plotseling omslaan en veranderen in een van de vier toestanden die licht kunnen produceren. Meer lichtemitterende toestanden verhogen de lichtopbrengst van het materiaal, maar aangezien de elektronen en gaten worden vernietigd, neemt de stroom af.
De microgolfpuls verandert de spins in de polymeer OLED op een manier die wordt bepaald door de lengte en frequentie van de puls. Het resultaat is om afwisselend meer of minder lichtemitterende toestanden te creëren, waarbij de stroom wordt verlaagd en verhoogd. Hoe groter de frequentie van de microgolfpuls, hoe sneller de stroom toeneemt en afneemt.
We hebben aangetoond dat als je spins coherent manipuleert, als je ze van boven naar beneden draait en alles daartussenin, je de afdruk van spinbeweging kunt zien op de stroom die je meet, zegt Boehme.
De onderzoekers denken dat hun werk ook kan helpen bij het verbeteren van OLED's. Het introduceren van onzuiverheden in de polymeermaterialen zou de snelheid kunnen veranderen waarmee elektronen in het materiaal hun spins omdraaien, zegt Boehme. Dat zou meer en meer lichtemitterende toestanden kunnen creëren, de efficiëntie van OLED met meer dan 25 procent verhogen en tot helderdere apparaten leiden.