Un esfuerzo de investigación dirigido por científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha logrado avances que podrían permitir una gama más amplia de dispositivos optoelectrónicos actualmente inimaginables.
Los investigadores, cuya innovación anterior incluía la incorporación de una capa de perovskita que permitía la creación de un nuevo tipo de diodo emisor de luz (LED) polarizado que emite fotones controlados por espín a temperatura ambiente sin el uso de campos magnéticos o contactos ferromagnéticos, ahora han ido un paso más allá al integrar una estructura optoelectrónica semiconductora III-V con un semiconductor de perovskita de haluro quiral. Es decir, transformaron un LED comercializado existente en uno que también controla el espín de los electrones. Los resultados proporcionan un camino hacia la transformación de la optoelectrónica moderna, un campo que se basa en el control de la luz y abarca los LED, las células solares y los láseres de telecomunicaciones, entre otros dispositivos.
«Depende de la imaginación de cada uno a dónde podría ir o dónde podría terminar», dijo Matthew Beard, investigador principal del NREL y coautor del artículo recientemente publicado. Naturaleza Artículo, «Inyección de espín a temperatura ambiente a través de una interfaz quiral-perovskita/III-V».
Beard también es director del Centro de Semiconductores Híbridos Orgánicos Inorgánicos para la Energía (CHOISE), un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía. La investigación informada fue financiada por CHOISE y se basó en una amplia gama de conocimientos científicos extraídos del NREL, la Escuela de Minas de Colorado, la Universidad de Utah, la Universidad de Colorado en Boulder y la Universidad de Lorraine en Francia.
El objetivo de CHOISE es comprender el control sobre la interconversión de carga, espín y luz mediante sistemas químicos cuidadosamente diseñados. En particular, el trabajo se centra en el control sobre el espín del electrón, que puede ser «arriba» o «abajo». La mayoría de los dispositivos optoelectrónicos actuales dependen de la interconversión entre carga y luz. Sin embargo, el espín es otra propiedad de los electrones, y el control sobre el espín podría permitir una amplia plétora de nuevos efectos y funcionalidades. Los investigadores publicaron un artículo en 2021 en el que informaron cómo al usar dos capas de perovskita diferentes pudieron controlar el espín creando un filtro que bloquea los electrones que «giran» en la dirección incorrecta.
En aquel momento, plantearon la hipótesis de que se podrían lograr avances en optoelectrónica si se lograba incorporar con éxito los dos semiconductores, y así lo hicieron. Los avances logrados, que incluyen la eliminación de la necesidad de temperaturas bajo cero, se pueden utilizar para aumentar la velocidad de procesamiento de datos y reducir la cantidad de energía necesaria.
«La mayoría de las tecnologías actuales se basan en el control de la carga», dijo Beard. «La mayoría de la gente se olvida del espín del electrón, pero el espín es muy importante y también es otro parámetro que se puede controlar y utilizar».
Para manipular el espín de los electrones en un semiconductor se ha necesitado hasta ahora el uso de contactos ferromagnéticos bajo un campo magnético aplicado. Utilizando perovskitas quirales, los investigadores pudieron transformar un LED en uno que emite luz polarizada a temperatura ambiente y sin campo magnético. La quiralidad se refiere a la estructura del material que no se puede superponer a su imagen especular, como una mano. Por ejemplo, un sistema quiral orientado a la «mano izquierda» puede permitir el transporte de electrones con espines «arriba» pero bloquear electrones con espines «abajo», y viceversa. El espín del electrón se convierte entonces en el «espín», o polarización, de la luz emitida. El grado de polarización, que mide la intensidad de la luz que está polarizada en una dirección, alcanzó aproximadamente el 2,6% en la investigación anterior. La adición del semiconductor III-V, que está hecho de materiales de la tercera y quinta columnas de la tabla periódica, aumentó la polarización a aproximadamente el 15%. El grado de polarización sirve como una medida directa de la acumulación de espín en el LED.
«Este trabajo me resulta especialmente interesante, ya que combina la funcionalidad del espín con una plataforma LED tradicional», afirmó el primer autor del trabajo, Matthew Hautzinger. «Se puede comprar un LED análogo al que utilizamos por 14 céntimos, pero con la perovskita quiral incorporada, hemos transformado una tecnología ya robusta (y bien entendida) en un dispositivo futurista de control del espín».
