Un polímero orgánico imprimible que se ensambla en estructuras quirales cuando se imprime ha permitido a los investigadores medir de manera confiable la cantidad de carga producida en la conversión de espín a carga dentro de un material espintrónico a temperatura ambiente. Las cualidades sintonizables y la versatilidad del polímero lo hacen deseable no sólo para aplicaciones electrónicas imprimibles, menos costosas y respetuosas con el medio ambiente, sino también para su uso en la comprensión de la quiralidad y las interacciones de espín de manera más general.

Los dispositivos espintrónicos son dispositivos electrónicos que aprovechan el giro de un electrón, en lugar de su carga, para crear una corriente energéticamente eficiente que se utiliza para el almacenamiento de datos, la comunicación y la informática. Los materiales quirales se refieren a materiales que no se pueden imponer a su imagen especular; piense en sus manos izquierda y derecha, por ejemplo. Si coloca su mano izquierda sobre su derecha, las posiciones de los dedos se invierten. Eso es quiralidad.

La quiralidad en los materiales espintrónicos permite a los diseñadores controlar la dirección del giro dentro del material, conocido como efecto de "selectividad de giro inducida por quiralidad (CISS)". El efecto CISS ocurre cuando la corriente de carga fluye a lo largo del eje quiral en un material quiral, produciendo espín (o conversión de carga a espín) sin necesidad de elementos ferromagnéticos. La conversión de carga a giro es necesaria para el almacenamiento de memoria en dispositivos informáticos.

"Sabemos que la conversión de carga a espín impulsada por CISS funciona eficientemente en semiconductores quirales, pero queremos saber por qué", dice Dali Sun, profesor asociado de física, miembro del Laboratorio de Electrónica Orgánica y de Carbono (ORaCEL) en Carolina del Norte. State University y coautor correspondiente del trabajo. "Y una manera fácil de entender la desconcertante mecánica de tal proceso es revertirlo, es decir, observar la conversión de giro a carga a través del efecto CISS inverso".

Sun trabajó con Ying Diao, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y coautor correspondiente del trabajo, quien desarrolló procesos de impresión para ensamblar polímeros orgánicos conjugados en estructuras helicoidales quirales. El artículo, "Efecto de selectividad de giro inducido por quiralidad inversa en conjuntos quirales de polímeros conjugados π", se ha publicado en Nature Materials. .

"Los materiales orgánicos pueden transportar espín a largas distancias, pero no son buenos para convertir el espín en carga, lo cual es necesario para los dispositivos espintrónicos", dice Diao. "Al hacer quiral la estructura de este material, podemos aprovecharla para convertir entre giro y carga".

"El efecto CISS se crea colocando una carga en un dispositivo espintrónico quiral, pero descubrir con qué eficiencia la carga se convierte en giro dentro del dispositivo es un gran desafío porque es difícil medir el giro producido de manera cuantitativa", dice Sun .

"El efecto de selectividad de espín inducido por quiralidad inversa, o ICISS, en el que se introduce un espín en el dispositivo y se mide la corriente resultante, no se ha estudiado en polímeros orgánicos", afirma Sun. "Pero es mucho más fácil medir la corriente que el espín. Y eso es lo que hicimos".

Sun utilizó la excitación por microondas como técnica de bombeo de espín para inyectar espín puro en el polímero orgánico y medir la corriente resultante.

Los investigadores descubrieron que se podían lograr tiempos de vida de espín de hasta nanosegundos en el polímero orgánico quiral a temperatura ambiente, a diferencia de los tiempos de vida de picosegundos en los materiales espintrónicos tradicionales.

"La belleza de este material, entre otras cosas, es su capacidad de sintonización", dice Sun. "Podemos cambiar la quiralidad, la conductividad y ver cómo eso afecta el giro o la eficiencia. Ahora tenemos una manera de comprender realmente por qué funcionan los dispositivos espintrónicos relacionados con CISS, lo que podría ayudarnos a diseñar otros mejores y más eficientes".

"La fabricación de productos electrónicos basados ​​en polímeros consume mucha menos energía que los productos electrónicos actuales y es fácil ampliarlos para su producción", afirma Diao. "Dado que los semiconductores de polímero son imprimibles (se pueden imprimir de la misma manera que los periódicos), serían ideales para aplicaciones portátiles, flexibles y extensibles que van desde células solares hasta nuevas formas de computadoras".

Más información: "Efecto de selectividad de giro inducido por quiralidad inversa en ensamblajes quirales de polímeros conjugados π", Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01838-8

Información de la revista: Materiales naturales

Proporcionado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte