Un esquema del experimento de óptica ultrarrápida. Un pulso láser inicial alinea un espín electrónico a lo largo de la trayectoria del rayo; el espín del electrón precesa en un campo magnético externo; otro pulso láser retardado detecta la precesión del giro mediante la rotación de su plano de polarización (Norte o Arriba, Sur o Abajo). Arriba a la izquierda:la estructura material de las perovskitas híbridas. Abajo a la derecha:los datos típicos muestran oscilaciones inducidas por la precesión de espín. Crédito:Patrick Odenthal
Un equipo dirigido por la Universidad de Utah ha descubierto que una clase de "materiales milagrosos" llamados perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas podrían cambiar las reglas del juego para los futuros dispositivos espintrónicos.
La espintrónica usa la dirección del giro del electrón, ya sea hacia arriba o hacia abajo, para transportar información en unos y ceros. Un dispositivo espintrónico puede procesar exponencialmente más datos que la electrónica tradicional que utiliza el flujo y reflujo de la corriente eléctrica para generar instrucciones digitales. Pero los físicos han luchado por hacer realidad los dispositivos espintrónicos.
El nuevo estudio, publicado en línea hoy en Física de la naturaleza , es el primero en demostrar que las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas son una clase de material prometedora para la espintrónica. Los investigadores descubrieron que las perovskitas poseen dos propiedades contradictorias necesarias para que los dispositivos espintrónicos funcionen:el giro de los electrones se puede controlar fácilmente. y también puede mantener la dirección de giro el tiempo suficiente para transportar información, una propiedad conocida como vida útil del giro.
"Es un dispositivo que la gente siempre quiso hacer, pero existen grandes desafíos para encontrar un material que pueda manipularse y, al mismo tiempo, tienen una larga vida útil, "dice Sarah Li, profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la U y autor principal del estudio. "Pero para este material, es la propiedad del propio material lo que satisface a ambos ".
El material milagroso
Las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas ya son famosas en los círculos científicos por ser increíblemente eficientes para convertir la luz solar en electricidad.
"Es increíble. Un material milagroso, "dice Z. Valy Vardeny, profesor distinguido del Departamento de Física y Astronomía y coautor del estudio, cuyo laboratorio estudia las células solares de perovskita. "En tan solo unos años, Las células solares basadas en este material tienen una eficiencia del 22 por ciento. Y ahora tiene esta propiedad de vida útil de giro. Es fantástico."
La composición química del material es un candidato poco probable para la espintrónica, sin embargo. El marco inorgánico híbrido de perovskita está hecho de elementos pesados. Cuanto más pesado es el átomo, más fácil es manipular el espín del electrón. Eso es bueno para la espintrónica. Pero otras fuerzas también influyen en el giro. Cuando los átomos son pesados, asume que la vida útil del centrifugado es corta, explica Li.
"La mayoría de la gente en el campo no pensaría que este material tiene una larga vida útil. Es sorprendente para nosotros, también, "dice Li." Aún no hemos descubierto la razón exacta. Pero probablemente sea algo intrínseco, propiedad mágica del propio material ".
Sarah Li (izquierda) y Z. Valy Vardeny (derecha) del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Utah discuten el láser ultrarrápido utilizado para preparar y medir la dirección del espín de electrones del yodo de plomo híbrido de perovskita metil-amonio (CH3NH3PbI3 ). Son los primeros en demostrar que las perovskitas híbridas orgánico-inorgánicas son una clase de material prometedora para la espintrónica. un campo emergente que usa el espín del electrón para transportar información, en lugar de la carga electrónica utilizada en la electrónica tradicional. Crédito:Universidad de Utah
Espintrónica:Ese momento magnético cuando ...
Celulares, las computadoras y otros dispositivos electrónicos tienen transistores de silicio que controlan el flujo de corrientes eléctricas como pequeñas presas. A medida que los dispositivos se vuelven más compactos, los transistores deben manejar la corriente eléctrica en áreas cada vez más pequeñas.
"La tecnología del silicio, basado solo en la carga del electrón, está alcanzando su límite de tamaño, "dice Li, "El tamaño del cable ya es pequeño. Si se vuelve más pequeño, no va a funcionar de la manera clásica que piensas ".
"La gente pensaba, '¿Cómo podemos aumentar la cantidad de información en un área tan pequeña?' ", Agrega Vardeny." ¿Qué hacemos para superar este límite? "
"Espintrónica, "responde la física.
La espintrónica utiliza el giro del propio electrón para transportar información. Los electrones son básicamente pequeños imanes que orbitan el núcleo de un elemento. Al igual que la Tierra tiene su propia orientación relativa al sol, los electrones tienen su propia orientación de espín en relación con el núcleo que se puede alinear en dos direcciones:"Arriba, "que representa un uno, y abajo, "que representa un cero. Los físicos relacionan el" momento magnético "del electrón con su espín.
Al agregar efecto a la electrónica tradicional, puede procesar exponencialmente más información que usarlos clásicamente en base a menos o más carga.
"Con espintrónica, no solo tienes muchísima más información, pero no está limitado por el tamaño del transistor. El límite de tamaño será el tamaño del momento magnético que pueda detectar, que es mucho más pequeño que el tamaño del transistor hoy en día, "dice Vardeny.
El láser ultrarrápido dispara pulsos de luz muy cortos 80 millones de veces por segundo al material híbrido de perovskita para determinar si sus electrones podrían usarse para transportar información en dispositivos futuros. Dividieron el láser en dos rayos; el primero golpea la película para fijar el giro del electrón en la dirección deseada. El segundo rayo se dobla a través de una serie de espejos como una máquina de bolas antes de golpear la película de perovskita a intervalos de tiempo crecientes para medir cuánto tiempo el electrón mantuvo el giro en la dirección preparada. Crédito:Universidad de Utah
El experimento para sintonizar el espín del electrón
Afinar el giro de un electrón es como afinar una guitarra, pero con láser y muchos espejos.
Primero, Los investigadores formaron una película delgada a partir del yodo de plomo híbrido de perovskita, metil-amonio (CH3NH3PbI3) y la colocaron frente a un láser ultrarrápido que dispara pulsos de luz muy cortos 80 millones de veces por segundo. Los investigadores son los primeros en utilizar la luz para establecer la orientación del giro del electrón y observar la precesión del giro en este material.
Dividieron el láser en dos rayos; el primero golpeó la película para fijar el giro del electrón en la dirección deseada. El segundo rayo se dobla a través de una serie de espejos como una máquina de pinball antes de golpear la película de perovskita a intervalos de tiempo crecientes para medir cuánto tiempo el electrón mantuvo el giro en la dirección preparada.
Descubrieron que la perovskita tiene una vida útil de giro sorprendentemente larga, de hasta nanosegundos. El giro cambia muchas veces durante un nanosegundo, lo que significa que mucha información se puede almacenar y manipular fácilmente durante ese tiempo.
Una vez que determinaron la larga vida útil del centrifugado, los investigadores probaron qué tan bien podían manipular el giro con un campo magnético.
"El giro es como la brújula. La brújula gira en este campo magnético perpendicular a esa brújula, y eventualmente dejará de girar, "dice Li." Supongamos que configuró el giro en 'arriba, 'y a eso lo llamas' uno '. Cuando lo expones al campo magnético, el giro cambia de dirección. Si gira 180 grados, cambia de uno a cero. Si gira 360 grados, va de uno a uno ".
Descubrieron que podían rotar el espín más de 10 vueltas al exponer el electrón a diferentes intensidades de campo magnético.
El potencial de este material es enorme, dice Vardeny. Podría procesar datos más rápido y aumentar la memoria de acceso aleatorio.
"Te lo estoy diciendo, es un material milagroso, "dice Vardeny.
