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Spintronics wird organisch
In elektronischen Schaltungen verarbeiten und speichern Transistoren und Speichervorrichtungen die Ladung eines Elektrons. Die Manipulation einer anderen Eigenschaft von Elektronen, des quantenmechanischen Phänomens, das als Spin bekannt ist, könnte zu schnelleren, kleineren und energieeffizienteren Computern führen. Forscher der University of Utah haben nun einen ersten Schritt in Richtung Spintronik-Bauelemente aus organischen Materialien unternommen, die billiger und einfacher herzustellen sein sollen als die bisher verwendeten Materialien.
Im Dreh: Die Physiker Christoph Böhme (rechts) und John Lupton haben einen Weg gefunden, einen elektrischen Strom in einer organischen LED zu steuern, indem sie den Spinzustand von Elektronen im Material verändern. Dies ist ein erster Schritt hin zu kleinen, schnellen Spintronik-Bauelementen aus organischen Halbleitern.
In einem Papier veröffentlicht in Naturmaterialien skizzieren die Forscher ein neuartiges Experiment, mit dem sie die Elektronenspins in einer organischen Leuchtdiode (OLED) messen konnten. Mithilfe eines Magnetfelds konnten sie den Spinzustand des Materials kontrollieren, was auch den aus dem Gerät kommenden elektrischen Strom veränderte.
Ein praktisches spintronisches Gerät müsste elektrischen Strom verwenden, um Spins zu steuern und zu lesen. Obwohl die Forscher aus Utah den Spin mit einem Magnetfeld steuern, demonstrieren ihre Arbeiten die Möglichkeit von Spintronik in organischen Halbleitern, sagt Johan van Tol, der Spintronikforschung an der Nationales Labor für hohe Magnetfelder in Tallahassee, Florida. Die Manipulation des Spins wurde bei anderen Materialien durchgeführt, aber nicht bei dieser Art von Polymeren, sagt er.
Spintronische Bauelemente lassen sich am einfachsten aus magnetischen Metallen herstellen, und Forscher haben auch über Fortschritte bei deren Herstellung aus herkömmlichen anorganischen Halbleitern wie Silizium und Galliumarsenid berichtet. Aber der Einsatz organischer Halbleiter könnte große Vorteile haben. [Organische Geräte] sind einfach herzustellen, einfach zu hinterlegen und zu strukturieren; das ist alles sehr günstig, sagt Christoph Boehme , ein Assistenzprofessor für Physik in Utah und Mitautor des neuen Artikels. Sie können sie auf einem flexiblen Substrat ablegen und Sie können sie mit Tintenstrahldruck ablegen.
Der Elektronenspin kann eine von zwei Richtungen annehmen: nach oben und nach unten. In herkömmlichen elektronischen Schaltungen repräsentiert der durch einen Transistor fließende Strom ein Bit mit einem Wert von eins , während Stromausfall ein Bit mit einem Wert von bedeutet 0 . In einem Spintronik-Gerät, eins und 0 werden durch einen Aufwärts- oder Abwärtsspin dargestellt.
Um ein funktionsfähiges spintronisches Gerät herzustellen, ist es wichtig, die Spinrichtung genau zu messen. Derzeit können Elektronen mit ausgerichteten Spins in ein Material injiziert werden, aber es ist wichtig zu bestimmen, ob diese Elektronen ihre Spins beibehalten, wenn dieser Spin in einem Gerät kontrolliert werden soll.
In ihrem Experiment lesen Boehme und seine Kollegen den Spin in einer Polymer-OLED, indem sie den aus ihr kommenden Strom messen. Sie befestigten Elektroden an dem Gerät und beschossen es alle 500 Mikrosekunden mit einem Mikrowellenimpuls.
Boehme erklärt, dass man sich den Spin als einen winzigen Stabmagneten vorstellen kann, der in eine bestimmte Richtung zeigt. In einer LED bilden negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher Paare, wenn die Spannung in eine bestimmte Richtung angelegt wird. Jedes Paar zerfällt anschließend oder verliert etwas Energie, wobei ein Photon emittiert wird. Da das Elektron und das Loch jeweils einen spezifischen Spin haben, kann das Elektron-Loch-Paar einen von vier Spinzuständen annehmen: oben-oben, oben-unten, unten-oben und unten-unten. Nur einer dieser vier kann zerfallen und Licht erzeugen, sagt Böhme. Das bedeute, dass OLEDs aus dem Polymer wahrscheinlich keine höheren Wirkungsgrade als 25 Prozent erreichen würden, fügt er hinzu.
Gleichzeitig kann sich die Spinrichtung eines Teilchens ändern. Von allen Elektron-Loch-Paaren, die im LED-Material gebildet werden, kann also eines, das nicht [Licht emittieren] kann, plötzlich in einen der vier Zustände übergehen, die Licht erzeugen können, sagt Böhme. Mehr lichtemittierende Zustände erhöhen die Lichtleistung des Materials, aber da die Elektronen und Löcher vernichtet werden, nimmt der Strom ab.
Der Mikrowellenpuls verändert die Spins in der Polymer-OLED in einer durch die Länge und Frequenz des Pulses bestimmten Weise. Das Ergebnis besteht darin, abwechselnd mehr oder weniger lichtemittierende Zustände zu erzeugen, wodurch der Strom verringert und erhöht wird. Je höher die Frequenz des Mikrowellenpulses ist, desto schneller nimmt der Strom zu und ab.
Wir haben gezeigt, dass, wenn Sie Spins kohärent manipulieren, wenn Sie sie von oben nach unten und alles dazwischen drehen, Sie den Abdruck der Spinbewegung auf der gemessenen Strömung sehen können, sagt Böhme.
Die Forscher glauben, dass ihre Arbeit auch dazu beitragen könnte, OLEDs zu verbessern. Das Einbringen von Verunreinigungen in die Polymermaterialien könnte die Geschwindigkeit ändern, mit der Elektronen im Material ihre Spins umdrehen, sagt Boehme. Das könnte immer mehr lichtemittierende Zustände erzeugen, die Effizienz von OLED um über 25 Prozent steigern und zu helleren Geräten führen.