„Wunder“-Filter verwandelt im Handel erhältliche LEDs in spintronische Geräte

In herkömmlichen elektronischen Geräten werden Halbleiter verwendet, um Daten durch Ladungsträgerstöße (Elektronen oder Löcher) zu übertragen und Nachrichten in Einsen und Nullen zu übermitteln. Spintronik-Geräte können um ein Vielfaches mehr Informationen verarbeiten, indem sie der Orientierung der Magnetpole der Elektronen einen Binärcode zuweisen, eine Eigenschaft, die als Spin bezeichnet wird – ein Aufwärtsspin ist eine 1, ein Abwärtsspin eine 0.

Eine große Hürde für kommerzielle Spintronik ist die Einstellung und Aufrechterhaltung der Elektronenspinorientierung. Die meisten Geräte stimmen die Spinorientierung mithilfe von Ferromagneten und Magnetfeldern ab, ein mühsamer und unzuverlässiger Prozess. Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass Ladungsträger ihre Spinorientierung verlieren, wenn sie von Materialien mit hoher Leitfähigkeit zu Materialien mit niedriger Leitfähigkeit wechseln – zum Beispiel von metallischen Ferromagneten zu undotiertem Silizium und konjugierten Polymermaterialien, aus denen die meisten modernen Halbleiter bestehen.

Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, vorhandene optoelektronische Geräte so umzugestalten, dass der Elektronenspin bei Raumtemperatur ohne Ferromagnet oder Magnetfeld gesteuert werden kann.

Die meisten optoelektronischen Geräte wie LEDs steuern nur Ladung und Licht, nicht aber den Spin der Elektronen. In der neuen Studie unter der Leitung von Physikern der University of Utah und Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) wurden die Elektroden von handelsüblichen LEDs durch einen patentierten Spinfilter aus hybridem organisch-anorganischem Halogenid-Perowskit-Material ersetzt. Die LEDs erzeugten zirkular polarisiertes Licht, ein verräterisches Zeichen dafür, dass der Filter spinausgerichtete Elektronen in die vorhandene Halbleiterinfrastruktur der LEDs injiziert hatte – ein gewaltiger Fortschritt für die Spintronik-Technologie.

„Es ist ein Wunder. Jahrzehntelang konnten wir spinausgerichtete Elektronen nicht effizient in Halbleiter einspeisen, da metallische Ferromagnete und nichtmagnetische Halbleiter nicht zueinander passen“, sagte Valy Vardeny, angesehener Professor im Fachbereich Physik und Astronomie der Universität und Mitautor des Artikels. „Alle Arten von Geräten, die Spin und Optoelektronik verwenden, wie Spin-LEDs oder magnetische Speicher, werden von dieser Entdeckung begeistert sein.“

Die Studie war veröffentlicht im Journal Natur am 19. Juni 2024.

Spinfilter

Im Jahr 2021 entwickelten dieselben Kollaborateure eine Technologie, die als aktiver Spinfilter fungiert und aus zwei aufeinanderfolgenden Materialschichten besteht, den sogenannten chiralen hybriden organisch-anorganischen Halogenid-Perowskiten. Chiralität beschreibt die Symmetrie eines Moleküls, bei der sein Spiegelbild nicht auf sich selbst gelegt werden kann. Menschliche Hände sind das klassische Beispiel; strecken Sie Ihre aus, die Handflächen zeigen nach außen. Die rechte und die linke Hand sind spiegelbildlich zueinander angeordnet – Sie können Ihre rechte Hand um 180° drehen, um die Silhouette anzupassen, aber jetzt zeigt die rechte Handfläche zu Ihnen, während die linke Handfläche von Ihnen weg zeigt. Sie sind nicht gleich.

Bei manchen Molekülen, wie etwa DNA, Zucker und Schichten chiraler hybrider organischer Halogenid-Perowskite, sind die Atome chiral symmetrisch angeordnet. Der Filter funktioniert, indem er eine „linkshändig“ ausgerichtete chirale Schicht verwendet, die Elektronen mit „Up“-Spins passieren lässt, Elektronen mit „Down“-Spins jedoch blockiert und umgekehrt. Damals behaupteten die Wissenschaftler, dass die Entdeckung dazu genutzt werden könne, herkömmliche Optoelektronik in spintronische Geräte umzuwandeln, indem man einfach den chiralen Spinfilter einbaut. Die neue Studie hat genau das getan.

„Wir nahmen eine LED aus dem Regal. Wir entfernten eine Elektrode und setzten das Spinfiltermaterial und eine weitere normale Elektrode ein. Und voilà! Das Licht war hoch zirkular polarisiert“, sagte Vardeny.

Chemiker vom NERL stellten die Spin-LEDs her, indem sie mehrere Schichten übereinander schichteten, von denen jede spezifische physikalische Eigenschaften aufwies. Bei der ersten Schicht handelt es sich um eine gewöhnliche transparente Metallelektrode; das Material der zweiten Schicht blockiert Elektronen mit einem Spin in die falsche Richtung. Diese Schicht bezeichnen die Autoren als chiralitätsinduzierten Spinfilter.

Die spinausgerichteten Elektronen rekombinieren dann in der dritten Schicht, einem Standardhalbleiter, der als aktive Schicht in herkömmlichen LEDs verwendet wird. Die injizierten spinausgerichteten Elektronen bewirken, dass diese Schicht Photonen erzeugt, die sich im Gleichklang auf einem Spiralpfad statt einem herkömmlichen Wellenmuster bewegen, um die für die LED typische zirkular polarisierte Elektrolumineszenz zu erzeugen.

„Diese Arbeit demonstriert die einzigartige und leistungsstarke Fähigkeit dieser neuen ‚Hybrid‘-Halbleiter, das Zusammenspiel der unterschiedlichen Eigenschaften organischer und anorganischer Systeme zu kombinieren und auszunutzen“, sagte Matthew Beard, Co-Autor der Studie von NREL. „Hier wird die Chiralität von den organischen Molekülen übernommen und ermöglicht die Kontrolle über den Spin, während die anorganische Komponente die organische Komponente ausrichtet und Leitfähigkeit oder Kontrolle über die Ladung bietet.“

Nachdem sie den Filter in eine Standard-LED eingebaut hatten, bestätigte Xin Pan, Forschungsassistent in der Abteilung für Physik und Astronomie der Universität, dass das Gerät wie vorgesehen funktionierte, nämlich durch spinausgerichtete Elektronen. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um die genauen Mechanismen zu erklären, die zur Entstehung der polarisierten Spins beitragen.

„Das ist die 64.000-Dollar-Frage, die ein Theoretiker beantworten muss“, sagte Vardeny. „Es ist wirklich ein Wunder. Und das Wunder geschieht, ohne dass man den genauen zugrundeliegenden Mechanismus kennt. Das ist das Schöne daran, Experimentator zu sein. Man probiert es einfach aus.“

Die Autoren behaupten, dass andere Wissenschaftler die Technik mit anderen chiralen Materialien wie DNA in vielen Zusammenhängen anwenden können.