211service.com
Spintronics bliver økologisk
I elektroniske kredsløb behandler og lagrer transistorer og hukommelsesenheder en elektrons ladning. Manipulering af en anden egenskab ved elektroner, det kvantemekaniske fænomen kendt som spin, kan føre til hurtigere, mindre og mere energieffektive computere. Forskere fra University of Utah har nu taget et første skridt i retning af spintroniske enheder lavet af organiske materialer, som burde være billigere og nemmere at lave end med materialer, der er brugt hidtil.
I et spin: Fysikerne Christoph Boehme (th.) og John Lupton har fundet en måde at kontrollere en elektrisk strøm i en organisk LED ved at ændre spin-tilstanden af elektroner i materialet. Dette er et første skridt mod små, hurtige spintroniske enheder lavet af organiske halvledere.
I et blad udgivet i Naturmaterialer , skitserer forskerne et nyt eksperiment, der gjorde det muligt for dem at måle elektronspin i en organisk lysemitterende diode (OLED). Ved hjælp af et magnetfelt var de i stand til at kontrollere materialets spin-tilstand, hvilket også ændrede den elektriske strøm, der kom ud af enheden.
En praktisk spintronisk enhed ville skulle bruge elektrisk strøm til at kontrollere og aflæse spins. Selvom Utah-forskerne brugte et magnetfelt til at styre spindet, viser deres arbejde muligheden for spintronik i organiske halvledere, siger Johan van Tol, der forsker i spintronik ved National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, FL. Manipulering af spin er blevet udført i andre materialer, men ikke i den slags polymerer, siger han.
Spintroniske enheder laves nemmest af magnetiske metaller, og forskere har også rapporteret fremskridt i at fremstille dem fra konventionelle uorganiske halvledere såsom silicium og galliumarsenid. Men at bruge organiske halvledere kan have store fordele. [Organiske enheder] er nemme at lave, nemme at deponere og strukturere; det hele er meget billigt, siger Christoph Boehme , en assisterende professor i fysik i Utah og medforfatter til det nye papir. Du kan afsætte dem på et fleksibelt underlag, og du kan afsætte dem med inkjet-print.
Elektronspin kan tage en af to retninger: op og ned. I konventionelle elektroniske kredsløb repræsenterer strømmen, der flyder gennem en transistor, en bit med en værdi på en , mens fravær af strøm betyder en smule med en værdi på 0 . I en spintronic enhed, en og 0 er repræsenteret ved et op eller ned spin.
For at lave en funktionel spintronic-enhed er det vigtigt at måle spinretningen nøjagtigt. Lige nu kan elektroner med justerede spins injiceres i et materiale, men det er vigtigt at bestemme, om disse elektroner bevarer deres spins, hvis det spin skal kontrolleres i en enhed.
I deres eksperiment læste Boehme og hans kolleger spindet i en polymer OLED ved at måle strømmen, der kommer ud af den. De satte elektroder til enheden og bombarderede den med en mikrobølgeimpuls hvert 500 mikrosekund.
Boehme forklarer, at spin kan opfattes som en lille stangmagnet, der peger i en bestemt retning. I en LED, når spændingen påføres i en bestemt retning, danner negativt ladede elektroner og positivt ladede huller par. Hvert par henfalder efterfølgende eller mister noget energi og udsender en foton. Fordi elektronen og hullet hver har et specifikt spin, kan elektron-hul-parret tage en af fire spin-tilstande: op-op, op-ned, ned-op og ned-ned. Kun én af disse fire kan henfalde og producere lys, siger Boehme. Det betyder, at OLED'er fremstillet af polymeren sandsynligvis ikke vil nå højere effektivitet end 25 procent, tilføjer han.
Samtidig kan en partikels spin-retning ændre sig. Så blandt alle de elektron-hul-par, der er dannet i LED-materialet, siger Boehme, en af dem, der ikke kan [udsende lys], kan pludselig vende og blive til en af de fire tilstande, der kan producere lys. Flere lysemitterende tilstande øger materialets lysudbytte, men da elektronerne og hullerne bliver tilintetgjort, falder strømmen.
Mikrobølgeimpulsen ændrer spins i polymer OLED på en måde, der bestemmes af længden og frekvensen af impulsen. Resultatet er skiftevis at skabe flere eller færre lysudsendende tilstande, hvorved strømmen mindskes og øges. Jo større frekvensen af mikrobølgeimpulsen er, jo hurtigere stiger og falder strømmen.
Vi har vist, at når du kohærent manipulerer spins, når du vender dem fra op til ned og alt derimellem, kan du se aftrykket af spin-bevægelse på den strøm, du måler, siger Boehme.
Forskerne mener, at deres arbejde også kan hjælpe med at forbedre OLED'er. Introduktion af urenheder i polymermaterialerne kan ændre den hastighed, hvormed elektroner i materialet vender deres spins, siger Boehme. Det kan skabe flere og flere lysemitterende tilstande, øge effektiviteten af OLED med over 25 procent og føre til lysere enheder.