Terobosan dalam spintronik telah dicapai dengan memodifikasi LED untuk mengendalikan spin elektron menggunakan material kiral baru, yang memungkinkan pemrosesan data yang lebih efisien dan menjanjikan kemajuan dalam kemampuan perangkat elektronik. (Konser artis). Kredit: SciTechDaily.com
Filter spin kiral, terbuat dari bahan perovskit halida organik-anorganik hibrid, memungkinkan LED konvensional untuk memanipulasi orientasi spin elektron pada suhu ruangan tanpa memerlukan feromagnet atau medan magnet, sehingga mengatasi kendala utama bagi spintronik komersial.
Kemajuan terbaru dalam spintronik telah menghasilkan pengembangan LED yang dimodifikasi yang mengendalikan spin elektron tanpa feromagnet atau medan magnet, menggunakan filter spin baru yang terbuat dari perovskit halida organik-anorganik hibrida kiral. Teknologi ini, yang memungkinkan pemrosesan data yang lebih efisien dengan menetapkan nilai biner ke status spin elektron, menandai lompatan maju yang signifikan dalam mengintegrasikan spintronik dengan teknologi semikonduktor yang ada.
Penggunaan elektronik tradisional semikonduktor untuk mengirimkan data dengan menggunakan semburan pembawa muatan (elektron atau lubang) untuk merepresentasikan pesan dalam bentuk “1” dan “0.” Sebaliknya, perangkat spintronik dapat menangani lebih banyak informasi dengan menetapkan kode biner berdasarkan orientasi kutub magnet elektron, suatu sifat yang dikenal sebagai spin. Spin “atas” merepresentasikan angka 1, sedangkan spin “bawah” merepresentasikan angka 0.
Kendala utama spintronik komersial adalah pengaturan dan pemeliharaan orientasi spin elektron. Sebagian besar perangkat menyetel orientasi spin menggunakan feromagnet dan medan magnet, sebuah proses yang melelahkan dan tidak dapat diandalkan. Penelitian selama puluhan tahun telah menunjukkan bahwa pembawa kehilangan orientasi spinnya saat berpindah dari material dengan konduktivitas tinggi ke material dengan konduktivitas rendah—misalnya, dari feromagnet logam ke silikon tak terdoping dan material polimer terkonjugasi yang membentuk sebagian besar semikonduktor modern.
Untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah mengubah perangkat optoelektronik yang ada menjadi perangkat yang dapat mengendalikan putaran elektron pada suhu ruangan, tanpa feromagnet atau medan magnet.
Sebagian besar perangkat optoelektronik, seperti LED, hanya mengendalikan muatan dan cahaya, tetapi tidak mengendalikan putaran elektron. Dalam sebuah studi baru yang dipimpin oleh fisikawan dan peneliti Universitas Utah di Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (NREL), mereka mengganti elektroda LED yang dibeli di toko dengan filter putaran yang dipatenkan yang terbuat dari bahan perovskit halida organik-anorganik hibrida. LED menghasilkan cahaya terpolarisasi melingkar, tanda bahwa filter telah menyuntikkan elektron yang selaras dengan putaran ke dalam infrastruktur semikonduktor LED yang ada, sebuah langkah maju yang besar bagi spintronik.
Tumpukan spin-LED yang memancarkan elektroluminesensi terpolarisasi melingkar. (R-MBA2Pbl) bertindak sebagai filter spin, yang memungkinkan hanya pembawa terpolarisasi (lingkaran biru) yang mengalir melalui LED dan bergabung kembali dalam beberapa sumur kuantum (MQW) yang memancarkan cahaya terpolarisasi melingkar (heliks kuning). Kredit: Hautzinger, M. et al. Nature (2024)
“Ini adalah sebuah keajaiban. Selama beberapa dekade, kami belum mampu menyuntikkan elektron yang selaras dengan spin ke dalam semikonduktor secara efisien karena ketidaksesuaian antara feromagnet logam dan semikonduktor nonmagnetik,” kata Valy Vardeny, Profesor Terhormat di Departemen Fisika & Astronomi di U dan salah satu penulis makalah tersebut. “Semua jenis perangkat yang menggunakan spin dan optoelektronik, seperti spin-LED atau memori magnetik, akan senang dengan penemuan ini.”
Studi ini baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Alami.
Putar filter
Pada tahun 2021, kolaborator yang sama mengembangkan teknologi yang berfungsi sebagai filter spin aktif yang terbuat dari dua lapisan material, yang disebut perovskit halida organik-anorganik hibrida kiral. Kiralitas menggambarkan simetri molekul, di mana bayangan cerminnya tidak dapat ditumpangkan pada dirinya sendiri. Tangan manusia adalah contoh klasik; ulurkan tangan Anda, telapak tangan menghadap ke arah lain. Tangan kanan dan kiri tersusun sebagai bayangan cermin satu sama lain—Anda dapat memutar tangan kanan Anda 180° agar sesuai dengan siluet, tetapi sekarang telapak tangan kanan menghadap Anda sementara telapak tangan kiri menghadap ke arah lain. Keduanya tidak sama.
Beberapa molekul, seperti DNAgula, dan lapisan perovskit organik-halida hibrida kiral, memiliki atom yang tersusun dalam simetri kiral. Filter bekerja dengan menggunakan lapisan kiral “kidal” untuk memungkinkan elektron dengan spin “atas” masuk, tetapi menghalangi elektron dengan spin “bawah”, dan sebaliknya. Pada saat itu, para ilmuwan mengklaim penemuan tersebut dapat digunakan untuk mengubah optoelektronik konvensional menjadi perangkat spintronik hanya dengan menggabungkan filter spin kiral. Studi baru tersebut berhasil melakukannya.
“Kami mengambil LED dari rak. Kami melepas satu elektroda dan memasang bahan filter berputar serta elektroda biasa lainnya. Dan voila! Cahayanya sangat terpolarisasi secara melingkar,” kata Vardeny.
Ahli kimia NERL menciptakan LED spin dengan menumpuk beberapa lapisan, masing-masing dengan sifat fisik tertentu. Lapisan pertama adalah elektroda logam transparan umum; material lapisan kedua menghalangi elektron yang berputar ke arah yang salah, lapisan yang oleh penulis disebut filter spin yang diinduksi kiralitas. Elektron yang selaras dengan spin kemudian bergabung kembali di lapisan ketiga, semikonduktor standar yang digunakan sebagai lapisan aktif dalam LED biasa. Elektron yang selaras dengan spin yang disuntikkan menyebabkan lapisan ini menghasilkan foton yang bergerak serempak di sepanjang jalur spiral, bukan dalam pola gelombang konvensional, untuk menghasilkan elektroluminesensi terpolarisasi melingkar khas LED.
“Karya ini menunjukkan kemampuan unik dan hebat dari semikonduktor 'hibrida' yang baru muncul ini untuk menggabungkan dan memanfaatkan interaksi antara sifat-sifat unik sistem organik dan anorganik,” kata Matthew Beard, salah satu penulis studi NREL. “Di sini, kiralitas dipinjam dari molekul organik dan memberikan kendali atas spin sementara komponen anorganik mengarahkan komponen organik dan memberikan konduktivitas atau kendali atas muatan berlebih.”
Setelah mereka memasang filter ke LED standar, Xin Pan, asisten peneliti di Departemen Fisika & Astronomi U of I, mengonfirmasi bahwa perangkat tersebut berfungsi sebagaimana mestinya, dengan elektron yang selaras dengan putaran. Namun, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menjelaskan mekanisme pasti yang bekerja untuk menciptakan putaran terpolarisasi.
“Itu pertanyaan bernilai $64.000 yang harus dijawab oleh seorang ahli teori,” kata Vardeny. “Itu adalah keajaiban. Dan itu terjadi tanpa mengetahui mekanisme yang mendasarinya. Jadi, itulah indahnya menjadi seorang eksperimentalis. Anda hanya perlu mencoba.”
Para penulis menegaskan bahwa ilmuwan lain dapat menerapkan teknik ini menggunakan bahan kiral lain, seperti DNA, dalam banyak konteks.
Referensi: “Injeksi spin suhu ruangan melintasi antarmuka perovskit/III–V kiral” oleh Matthew P. Hautzinger, Xin Pan, Steven C. Hayden, Jiselle Y. Ye, Qi Jiang, Mickey J. Wilson, Alan J. Phillips, Yifan Dong, Emily K. Raulerson, Ian A. Leahy, Chun-Sheng Jiang, Jeffrey L. Blackburn, Joseph M. Luther, Yuan Lu, Katherine Jungjohann, Z. Valy Vardeny, Joseph J. Berry, Kirstin Alberi dan Matthew C. Beard, 19 Juni 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4
Pekerjaan ini didukung sebagai bagian dari Pusat Penelitian Batas Energi Semikonduktor Organik Anorganik Hibrida untuk Energi (CHOISE) di Departemen Energi AS, dan Badan Penelitian Nasional Prancis.
NewsRoom.id
