Os diodos emissores de luz (LEDs) revolucionaram a indústria de monitores. LEDs usam corrente elétrica para produzir luz visível sem o excesso de calor encontrado nas lâmpadas tradicionais, um brilho chamado eletroluminescência. Essa descoberta levou a uma percepção surpreendente, experiência de visualização em alta definição que esperamos de nossas telas. Agora, um grupo de físicos e químicos desenvolveu um novo tipo de LED que utiliza spintrônica sem a necessidade de um campo magnético, materiais magnéticos ou temperaturas criogênicas; um 'salto quântico' que poderia levar as exibições para o próximo nível.

“As empresas que fazem LEDs ou monitores de TV e computador não querem lidar com campos magnéticos e materiais magnéticos. É pesado e caro fazer isso, "disse Valy Vardeny, distinto professor de física e astronomia da Universidade de Utah. "Aqui, moléculas quirais são automontadas em matrizes permanentes, como soldados, que ativamente spin polarizam os elétrons injetados, que subsequentemente levam à emissão de luz circularmente polarizada. Sem campo magnético, ferromagnetos caros e sem necessidade de temperaturas extremamente baixas. Isso é proibido para a indústria. "

A maioria dos dispositivos optoeletrônicos, como LEDs, controlar apenas a carga e a luz e não o spin dos elétrons. Os elétrons possuem minúsculos campos magnéticos que, como a Terra, têm pólos magnéticos em lados opostos. Seu spin pode ser visto como a orientação dos pólos e pode receber informações binárias - um spin 'para cima' é um '1, 'a' para baixo 'é um' 0 '. Em contraste, a eletrônica convencional apenas transmite informações por meio de rajadas de elétrons ao longo de um fio condutor para transmitir mensagens em '1s' e '0s'. Dispositivos spintrônicos, Contudo, poderia utilizar os dois métodos, prometendo processar exponencialmente mais informações do que a eletrônica tradicional.

Uma barreira para a spintrônica comercial é definir o spin do elétron. Atualmente, é preciso produzir um campo magnético para orientar a direção do spin do elétron. Pesquisadores da Universidade de Utah e do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) desenvolveram uma tecnologia que atua como um filtro de rotação ativo feito de duas camadas de material chamadas perovskitas quirais de haleto metálico de duas dimensões. A primeira camada bloqueia os elétrons que giram na direção errada, uma camada que os autores chamam de filtro de spin induzido por quiral. Então, quando os elétrons restantes passam pela segunda camada de perovskita emissora de luz, eles fazem com que a camada produza fótons que se movem em uníssono ao longo de um caminho em espiral, em vez de um padrão de onda convencional, para produzir eletroluminescência circular polarizada.

O estudo foi publicado na revista Ciência em 12 de março, 2021.

Canhoto, moléculas destras

Os cientistas exploraram uma propriedade chamada quiralidade, que descreve um tipo particular de geometria. As mãos humanas são um exemplo clássico; as mãos direita e esquerda são dispostas como espelhos uma da outra, mas eles nunca vão se alinhar perfeitamente, não importa a orientação. Alguns compostos, como DNA, açúcar e perovskitas de haletos metálicos quirais, têm seus átomos dispostos em uma simetria quiral. Um sistema quiral orientado para "canhotos" pode permitir o transporte de elétrons com spins "para cima", mas bloquear elétrons com spins "para baixo", e vice versa.

"Se você tentar transportar elétrons por meio desses compostos, então, o spin do elétron fica alinhado com a quiralidade do material, "Disse Vardeny. Outros filtros de rotação existem, mas eles requerem algum tipo de campo magnético, ou eles só podem manipular elétrons em uma pequena área. "A beleza do material perovskita que usamos é que ele é bidimensional - você pode preparar muitos planos de 1 cm ² área que contém um milhão de um bilhão (10 ¹⁵ ) moléculas permanentes com a mesma quiralidade. "

Semicondutores perovskita de haleto metálico são usados ​​principalmente para células solares nos dias de hoje, pois são altamente eficientes na conversão de luz solar em eletricidade. Uma vez que uma célula solar é uma das aplicações mais exigentes de qualquer semicondutor, os cientistas estão descobrindo que também existem outros usos, incluindo LEDs de rotação.

"Estamos explorando as propriedades fundamentais das perovskitas de haleto metálico, que nos permitiu descobrir novas aplicações além da fotovoltaica, "disse Joseph Luther, co-autor do novo artigo e cientista do NREL. "Porque as perovskitas de iodetos metálicos, e outros híbridos orgânicos de haleto de metal relacionados, são alguns dos semicondutores mais fascinantes, eles exibem uma série de fenômenos novos que podem ser utilizados na transformação de energia. "

Embora as perovskitas de haleto metálico sejam as primeiras a provar que os dispositivos quirais híbridos são viáveis, eles não são os únicos candidatos a LEDs de spin. A fórmula geral para o filtro de rotação ativo é uma camada de um orgânico, material quiral, outra camada de um haleto de metal inorgânico, como o iodo de chumbo, outra camada orgânica, camada inorgânica e assim por diante.

"Isso é lindo. Eu adoraria que alguém surgisse com outro material de camada orgânica / inorgânica 2D que pode fazer uma coisa semelhante. Nesta fase, é muito geral. Tenho certeza que com o tempo, alguém encontrará um material quiral bidimensional diferente que será ainda mais eficiente, "Disse Vardeny.

O conceito prova que o uso desses sistemas híbridos quirais bidimensionais ganham controle sobre o spin sem ímãs e tem "amplas implicações para aplicações como computação óptica baseada em quantum, bioencodificação e tomografia, "de acordo com Matthew Beard, pesquisador sênior e diretor do Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy.