Neue Materialien und Techniken sind vielversprechend für die Mikroelektronik und Quantentechnologien

Da Telefone und Computer immer kleiner werden, wächst unser Bedarf an Datenspeicherung und -übertragung. Elektronische Geräte werden seit Jahrzehnten mit Halbleitern betrieben, aber da der Trend zur Miniaturisierung weiter voranschreitet, sind der Herstellung kleiner Halbleiter Grenzen gesetzt.

Die nächste Generation von Handheld-Geräten erfordert eine neuartige Lösung. Spintronik oder Spinelektronik ist ein revolutionäres neues Gebiet in der Physik der kondensierten Materie, das die Speicher- und Logikverarbeitungsfähigkeit nanoelektronischer Geräte erhöhen und gleichzeitig den Stromverbrauch und die Produktionskosten senken kann. Dies wird erreicht, indem kostengünstige Materialien und die magnetischen Eigenschaften des Spins eines Elektrons genutzt werden, um Speicher- und Logikfunktionen auszuführen, anstatt den Fluss der Elektronenladung zu nutzen, der in typischer Elektronik verwendet wird.

Neue Arbeiten von Wissenschaftlern der Florida State University treiben die Spintronik-Forschung voran.

Die Professoren Biwu Ma vom Fachbereich Chemie und Biochemie und Peng Xiong vom Fachbereich Physik arbeiten mit niederdimensionalen organischen Metallhalogenid-Hybriden, einer neuen Klasse von Hybridmaterialien, die optoelektronische Geräte wie Solarzellen, Leuchtdioden oder LEDs mit Strom versorgen können und Fotodetektoren.

Gemeinsam haben sie neue magnetische und elektronische Eigenschaften dieser Materialien identifiziert und weisen auf ein beeindruckendes Potenzial in der Spintronik hin. Xiong hat in seiner Soloarbeit das erste Beispiel einer magnetfreien Elektronenspinerzeugung in einem Halbleiter entwickelt und damit die kostengünstige Entwicklung leistungsstarker elektronischer Geräte ermöglicht.

„Während sich diese neue Materialklasse bei der Herstellung optischer Materialien für optoelektronische Geräte wie LEDs als nützlich erwiesen hat, ist dies das erste Mal, dass wir einige einzigartige magnetische Eigenschaften beobachten“, sagte Ma, ein Experte für Materialchemie.

„Abhängig von der Auswahl geeigneter organischer Komponenten und Metallhalogenidkomponenten, die theoretisch unbegrenzt sein könnten, sind wir in der Lage, sie zu kristallinen Strukturen mit unterschiedlichen Dimensionalitäten zusammenzusetzen. Durch unterschiedliche Zusammensetzungen und Strukturen weisen sie unterschiedliche Eigenschaften auf, die eine Vielzahl von Anwendungen haben können.“ von der Optoelektronik bis zur Spintronik und sogar einer Kombination aus beidem.“

Ma’s Labor synthetisiert Materialien in unterschiedlichen Konfigurationen, bevor sie zur elektronischen und magnetischen Charakterisierung an Xiongs Labor geschickt werden – Doktoranden beider Labore leiten die Experimente. Anschließend gibt Xiongs Labor Rückmeldung über die Eigenschaften der synthetisierten Materialien.

In der Studie mit dem Titel „Antiferromagnetische Ordnung in einem eindimensionalen organischen Kupferchlorid-Hybrinisolator“ veröffentlicht In Angewandte ChemieMa und Xiong enthüllen neu entdeckte Eigenschaften und unterstreichen das Potenzial dieser Materialien als hochgradig abstimmbare Quantenplattform für die Spintronik.

„Es ist spannend, darüber nachzudenken, dass dies nur eine Veröffentlichung ist, die zu einem bestimmten Material erstellt wurde“, sagte Ma. „Wir synthetisieren Hunderte von Materialien und gehen davon aus, dass in Zukunft weitere interessante Eigenschaften und nützliche Anwendungen entstehen werden.“

Forschungsteams unter der Leitung von Bin Ouyang, außerordentlicher Professor für Chemie und Biochemie an der FSU, und Dali Sun, außerordentlicher Professor für Physik an der North Carolina State University, trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei.

„Die Zusammenarbeit zwischen Biwu und mir ist sehr natürlich“, sagte Xiong über die laufende vierjährige Partnerschaft. „In den beiden Laboren gibt es viel Hin und Her in Bezug auf die Rückkopplung zwischen Materialsynthese und Eigenschaftscharakterisierung, was wir in der Synthese verfeinern müssen, um optimale Eigenschaften zu erreichen und mehr. Es ist hochgradig interaktiv und wir haben viele verschiedene.“ Projekte, die gleichzeitig mit unterschiedlichen Materialien stattfinden.

Während sich die gemeinsame Forschung des Duos auf die Entwicklung neuer Funktionsmaterialien für den Einsatz in der Spintronik konzentriert, führt Xiongs Einzelforschung eine völlig neue Art der Spintronik ein, indem er die Wechselwirkung des Spins eines Elektrons mit der Chiralität in seiner Umgebung nutzt, um magnetfreien Elektronenspin in einem Halbleiter zu erzeugen .

Derzeit wird die Spinerzeugung typischerweise durch Wechselwirkung mit einem Magneten erzeugt, und solche Systeme weisen erhebliche Nachteile auf. Beispielsweise können Randfelder von externen Magneten leicht die Spinausrichtung stören, was zu Komplikationen führt, wenn mehrere Halbleiter in einem kleinen elektronischen Gerät wie einem Computerchip mit hoher Dichte verwendet werden.

In einer Studie mit dem Titel „Chirality-Induced Magnet-Free Spin Generation in a Semiconductor“ veröffentlicht In Fortschrittliche Materialien In diesem Sommer demonstriert Xiong einen nichtmagnetischen Weg der Spinerzeugung.

„Anstatt eine Spannung an den Magneten anzulegen, um das Elektron in den Halbleiter hinein und aus ihm heraus zu bewegen, kehren wir den Spin des Elektrons während des Transports um“, sagte Xiong. „Wir haben herausgefunden, dass, wenn man ein Elektron dazu zwingt, durch eine chirale Struktur zu gehen, bei der es sich um eine Art Molekül mit einem nicht reproduzierbaren Spiegelbild handelt, es spinpolarisiert wird und das Elektron so umdreht, dass es sich mit dem Spin ausrichtet.“ andere Elektronen.

„Dieser Prozess verbraucht nicht nur weniger Energie als die normale Spinerzeugung und verliert dabei weniger Energie, sondern es ist auch viel einfacher, eine Integration mit hoher Dichte zu erreichen. Unser nächster Schritt besteht darin, eine magnetfreie Spinerzeugung mithilfe chiraler Halbleiter aus China zu erreichen.“ Biwus Labor anstelle der sehr fragilen chiralen Moleküle.

Diese Arbeit wurde auch als eingeladener Vortrag bei der präsentiert Märztreffen 2024 der American Physical Society. Weitere Mitwirkende an dieser Forschung sind Wissenschaftler der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, des Weizmann Institute of Science und der University of California Los Angeles.