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La espintrónica se vuelve orgánica
En los circuitos electrónicos, los transistores y los dispositivos de memoria procesan y almacenan la carga de un electrón. La manipulación de otra propiedad de los electrones, el fenómeno mecánico cuántico conocido como espín, podría conducir a computadoras más rápidas, más pequeñas y con mayor eficiencia energética. Los investigadores de la Universidad de Utah han dado un primer paso hacia los dispositivos espintrónicos hechos de materiales orgánicos, que deberían ser más baratos y más fáciles de fabricar que los materiales utilizados hasta ahora.
En un giro: Los físicos Christoph Boehme (derecha) y John Lupton han encontrado una forma de controlar una corriente eléctrica en un LED orgánico cambiando el estado de giro de los electrones en el material. Este es un primer paso hacia dispositivos espintrónicos pequeños y rápidos hechos de semiconductores orgánicos.
En un artículo publicado en Materiales de la naturaleza , los investigadores describen un experimento novedoso que les permitió medir los espines de los electrones en un diodo emisor de luz orgánico (OLED). Usando un campo magnético, pudieron controlar el estado de giro del material, lo que también cambió la corriente eléctrica que salía del dispositivo.
Un dispositivo espintrónico práctico tendría que usar corriente eléctrica para controlar y leer los espines. Aunque los investigadores de Utah usaron un campo magnético para controlar el espín, su trabajo demuestra la posibilidad de espintrónica en semiconductores orgánicos, dice Johan van Tol, quien realiza investigación espintrónica en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee, FL. La manipulación del giro se ha realizado en otros materiales, pero no en este tipo de polímeros, dice.
Los dispositivos espintrónicos se fabrican más fácilmente a partir de metales magnéticos, y los investigadores también han informado de avances en su fabricación a partir de semiconductores inorgánicos convencionales como el silicio y el arseniuro de galio. Pero el uso de semiconductores orgánicos podría tener grandes ventajas. [Los dispositivos orgánicos] son fáciles de hacer, fáciles de depositar y estructurar; todo es muy barato, dice Christoph Boehme , profesor asistente de física en Utah y coautor del nuevo artículo. Puede depositarlos sobre un sustrato flexible y puede depositarlos con impresión por chorro de tinta.
El giro del electrón puede tomar una de dos direcciones: hacia arriba y hacia abajo. En los circuitos electrónicos convencionales, la corriente que fluye a través de un transistor representa un bit con un valor de 1 , mientras que la ausencia de corriente significa un bit con un valor de 0 . En un dispositivo espintrónico, 1 y 0 están representados por un giro hacia arriba o hacia abajo.
Para hacer un dispositivo espintrónico funcional, es importante medir la dirección de giro con precisión. En este momento, los electrones con espines alineados se pueden inyectar en un material, pero determinar si esos electrones mantienen sus espines es importante si ese espín se va a controlar en un dispositivo.
En su experimento, Boehme y sus colegas leyeron el giro en un polímero OLED midiendo la corriente que sale de él. Conectaron electrodos al dispositivo y lo bombardearon con un pulso de microondas cada 500 microsegundos.
Boehme explica que se puede pensar en el giro como una pequeña barra magnética que apunta en una dirección determinada. En un LED, cuando el voltaje se aplica en una determinada dirección, los electrones cargados negativamente y los huecos cargados positivamente forman pares. Posteriormente, cada par decae o pierde algo de energía, emitiendo un fotón. Debido a que el electrón y el agujero tienen cada uno un espín específico, el par electrón-agujero puede tomar uno de los cuatro estados de espín: arriba-arriba, arriba-abajo, abajo-arriba y abajo-abajo. Solo uno de estos cuatro puede descomponerse y producir luz, dice Boehme. Esto significa que los OLED fabricados con el polímero probablemente no alcanzarán eficiencias superiores al 25 por ciento, añade.
Al mismo tiempo, la dirección de giro de una partícula puede cambiar. Entonces, entre todos los pares de electrones y agujeros formados en el material LED, dice Boehme, uno de los que no pueden [emitir luz] puede voltearse repentinamente y convertirse en uno de los cuatro estados que pueden producir luz. Más estados emisores de luz aumentan la producción de luz del material, pero dado que los electrones y los agujeros se aniquilan, la corriente disminuye.
El pulso de microondas cambia los espines en el polímero OLED de una manera determinada por la longitud y frecuencia del pulso. El resultado es crear alternativamente más o menos estados emisores de luz, disminuyendo y aumentando la corriente. Cuanto mayor es la frecuencia del pulso de microondas, más rápido aumenta y disminuye la corriente.
Hemos demostrado que cuando manipula los giros de manera coherente, cuando los gira de arriba a abajo y todo lo demás, puede ver la huella del movimiento de giro en la corriente que mide, dice Boehme.
Los investigadores creen que su trabajo también podría ayudar a mejorar los OLED. La introducción de impurezas en los materiales poliméricos podría cambiar la velocidad a la que los electrones en el material giran sus espines, dice Boehme. Eso podría crear más y más estados emisores de luz, aumentando la eficiencia de OLED en más del 25 por ciento y conducir a dispositivos más brillantes.