La primera capa es un ánodo semitransparente, como ITO, que inyecta agujeros "no polarizados, "una característica cuántica de los electrones, con un cierto giro. La segunda capa es la perovskita híbrida quiral bidimensional que es un filtro de giro activo, permitiendo que solo pasen los hoyos con giro específico, dependiendo de la helicidad de las moléculas quirales. La tercera capa es la película emisora, compuesto por una perovskita inorgánica no quiral como CsPbBr3. Las capas cuarta y quinta son el cátodo que inyecta electrones hacia arriba y hacia abajo. Solo los electrones de spin down se recombinan con los agujeros inyectados de spin up para producir luz polarizada circularmente con helicidad que depende de la helicidad de las moléculas quirales en la capa bidimensional orgánico-inorgánica. Crédito:Adaptado de:Kim, Y.H. et. Alabama., Ciencia (2021)
Los diodos emisores de luz (LED) han revolucionado la industria de las pantallas. Los LED utilizan corriente eléctrica para producir luz visible sin el exceso de calor que se encuentra en las bombillas tradicionales. un resplandor llamado electroluminiscencia. Este avance condujo a la asombrosa, experiencia de visualización de alta definición que esperamos de nuestras pantallas. Ahora, un grupo de físicos y químicos ha desarrollado un nuevo tipo de LED que utiliza espintrónica sin necesidad de un campo magnético, materiales magnéticos o temperaturas criogénicas; un "salto cuántico" que podría llevar las pantallas al siguiente nivel.
"Las empresas que fabrican LED o pantallas de TV y computadoras no quieren lidiar con campos magnéticos y materiales magnéticos. Es pesado y costoso hacerlo, "dijo Valy Vardeny, distinguido profesor de física y astronomía en la Universidad de Utah. "Aquí, Las moléculas quirales se autoensamblan en matrices permanentes, como soldados, que giran activamente polarizan los electrones inyectados, que posteriormente conducen a una emisión de luz polarizada circularmente. Sin campo magnético, Ferromagnetos costosos y sin necesidad de temperaturas extremadamente bajas. Esos son no-nos para la industria ".
La mayoría de los dispositivos optoelectrónicos, como LED, solo controlan la carga y la luz y no el giro de los electrones. Los electrones poseen diminutos campos magnéticos que, como la tierra, tienen polos magnéticos en lados opuestos. Su giro puede verse como la orientación de los polos y se le puede asignar información binaria:un giro 'hacia arriba' es un '1, 'a' abajo 'es un' 0 '. A diferencia de, La electrónica convencional solo transmite información a través de ráfagas de electrones a lo largo de un cable conductor para transmitir mensajes en "1" y "0". Dispositivos espintrónicos, sin embargo, podría utilizar ambos métodos, prometiendo procesar exponencialmente más información que la electrónica tradicional.
Una barrera para la espintrónica comercial es establecer el espín del electrón. Ahora, se necesita producir un campo magnético para orientar la dirección de giro del electrón. Investigadores de la Universidad de Utah y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) desarrollaron una tecnología que actúa como un filtro de giro activo hecho de dos capas de material llamadas perovskitas de haluro metálico de dos dimensiones quirales. La primera capa bloquea los electrones que tienen un giro en la dirección incorrecta, una capa que los autores denominan filtro de giro inducido quiral. Luego, cuando los electrones restantes pasan a través de la segunda capa de perovskita emisora de luz, hacen que la capa produzca fotones que se mueven al unísono a lo largo de una trayectoria en espiral, en lugar de un patrón de onda convencional, para producir electroluminiscencia polarizada circular.
El estudio fue publicado en la revista Ciencias el 12 de marzo 2021.
Un esquema de luz polarizada circularmente. Fotones que se mueven al unísono a lo largo de una trayectoria en espiral, en lugar de un patrón de onda convencional, Producen luz circular polarizada. La capa de perovskita emisora de luz del dispositivo LED giratorio produce luz polarizada para zurdos o diestros, dependiendo del giro de los electrones que pasaron el filtro de perovskita. Crédito:Dave3457 a través de Wikicommons
Zurdo, moléculas diestras
Los científicos explotaron una propiedad llamada quiralidad que describe un tipo particular de geometría. Las manos humanas son un ejemplo clásico; las manos derecha e izquierda están dispuestas como espejos la una de la otra, pero nunca se alinearán perfectamente no importa la orientación. Algunos compuestos, como el ADN, perovskitas de azúcares y haluros metálicos quirales, tienen sus átomos dispuestos en una simetría quiral. Un sistema quiral orientado a "zurdos" puede permitir el transporte de electrones con espines "hacia arriba" pero bloquear los electrones con espines "hacia abajo", y viceversa.
"Si intentas transportar electrones a través de estos compuestos, entonces el espín del electrón se alinea con la quiralidad del material, ", Dijo Vardeny. Existen otros filtros giratorios, pero requieren algún tipo de campo magnético, o solo pueden manipular electrones en un área pequeña. "La belleza del material de perovskita que usamos es que es bidimensional; puedes preparar muchos planos de 1 cm 2 área que contiene un millón de mil millones (10 15 ) moléculas permanentes con la misma quiralidad ".
Los semiconductores de perovskita de haluro metálico se utilizan principalmente para células solares en estos días, ya que son muy eficientes para convertir la luz solar en electricidad. Dado que una celda solar es una de las aplicaciones más exigentes de cualquier semiconductor, Los científicos están descubriendo que también existen otros usos, incluidos los LED de giro.
"Estamos explorando las propiedades fundamentales de las perovskitas de halogenuros metálicos, lo que nos ha permitido descubrir nuevas aplicaciones más allá de la fotovoltaica, "dijo Joseph Luther, coautor del nuevo artículo y científico de NREL. "Porque las perovskitas de halogenuros metálicos, y otros híbridos orgánicos de haluros metálicos relacionados, son algunos de los semiconductores más fascinantes, exhiben una serie de fenómenos novedosos que pueden utilizarse para transformar la energía ".
Aunque las perovskitas de haluro metálico son las primeras en demostrar que los dispositivos híbridos quirales son factibles, no son los únicos candidatos a los LED giratorios. La fórmula general para el filtro de giro activo es una capa de un orgánico, material quiral, otra capa de un haluro metálico inorgánico, como el yodo de plomo, otra capa orgánica, capa inorgánica y así sucesivamente.
"Eso es hermoso. Me encantaría que alguien saliera con otro material de capa orgánico / inorgánico 2D que pueda hacer algo similar. En esta etapa, es muy general. Estoy seguro que con el tiempo alguien encontrará un material quiral bidimensional diferente que será aún más eficiente, "Dijo Vardeny.
El concepto demuestra que el uso de estos sistemas híbridos quirales bidimensionales gana control sobre el espín sin imanes y tiene "amplias implicaciones para aplicaciones como la computación óptica cuántica, biocodificación y tomografía, "según Matthew Beard, investigador senior y director del Centro de Semiconductores Inorgánicos Orgánicos Híbridos para Energía.
