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Um esforço de pesquisa liderado por cientistas do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) fez avanços que podem permitir uma gama mais ampla de dispositivos optoeletrônicos atualmente inimagináveis.
Os pesquisadores, cuja inovação anterior incluía incorporar uma camada de perovskita que permitiu a criação de um novo tipo de diodo emissor de luz polarizado (LED) que emite fótons controlados por spin em temperatura ambiente sem o uso de campos magnéticos ou contatos ferromagnéticos, agora deram um passo adiante ao integrar uma estrutura optoeletrônica semicondutora III-V com um semicondutor perovskita de haleto quiral. Ou seja, eles transformaram um LED comercializado existente em um que também controla o spin dos elétrons. Os resultados fornecem um caminho para transformar a optoeletrônica moderna, um campo que depende do controle da luz e abrange LEDs, células solares e lasers de telecomunicações, entre outros dispositivos.
“Depende da imaginação de cada um onde isso pode ir ou onde isso pode acabar”, disse Matthew Beard, pesquisador sênior do NREL e coautor do recém-publicado Natureza artigo, “Injeção de spin à temperatura ambiente através de uma interface quiral-perovskita/III-V.”
Beard também atua como diretor do Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE), um Energy Frontier Research Center financiado pelo Office of Science Basic Energy Sciences dentro do DOE. A pesquisa relatada foi financiada pelo CHOISE e contou com uma ampla gama de expertise científica extraída do NREL, da Colorado School of Mines, da University of Utah, da University of Colorado Boulder e da Universite de Lorraine na França.
O objetivo do CHOISE é entender o controle sobre a interconversão de carga, spin e luz usando sistemas químicos cuidadosamente projetados. Em particular, o trabalho se concentra no controle sobre o spin do elétron que pode ser “para cima” ou “para baixo”. A maioria dos dispositivos optoeletrônicos atuais depende da interconversão entre carga e luz. No entanto, o spin é outra propriedade dos elétrons, e o controle sobre o spin pode permitir uma ampla gama de novos efeitos e funcionalidades. Os pesquisadores publicaram um artigo em 2021 no qual relataram como, usando duas camadas diferentes de perovskita, eles foram capazes de controlar o spin criando um filtro que bloqueia os elétrons “girando” na direção errada.
Eles levantaram a hipótese na época de que avanços poderiam ser feitos em optoeletrônica se pudessem incorporar com sucesso os dois semicondutores, e então foram fazer exatamente isso. Os avanços feitos, que incluem a eliminação da necessidade de temperaturas abaixo de zero Celsius, podem ser usados para aumentar as velocidades de processamento de dados e diminuir a quantidade de energia necessária.
“A maioria das tecnologias atuais são todas baseadas no controle de carga”, disse Beard. “A maioria das pessoas simplesmente esquece do spin do elétron, mas o spin é muito importante, e também é outro parâmetro que se pode controlar e utilizar.”
Manipular o spin de elétrons em um semicondutor exigiu anteriormente o uso de contatos ferromagnéticos sob um campo magnético aplicado. Usando perovskitas quirais, os pesquisadores conseguiram transformar um LED em um que emite luz polarizada em temperatura ambiente e sem um campo magnético. Quiralidade se refere à estrutura do material que não pode ser sobreposta em sua imagem espelhada, como uma mão. Por exemplo, um sistema quiral orientado “canhoto” pode permitir o transporte de elétrons com spins “para cima”, mas bloquear elétrons com spins “para baixo”, e vice-versa. O spin do elétron é então convertido no “spin”, ou polarização, da luz emitida. O grau de polarização, que mede a intensidade da luz que é polarizada em uma direção, atingiu cerca de 2,6% na pesquisa anterior. A adição do semicondutor III-V — que é feito de materiais na terceira e quinta colunas da tabela periódica — aumentou a polarização para cerca de 15%. O grau de polarização serve como uma medida direta do acúmulo de spin no LED.
“Este trabalho é particularmente emocionante para mim, pois combina a funcionalidade de spin com uma plataforma LED tradicional”, disse o primeiro autor do trabalho, Matthew Hautzinger. “Você pode comprar um LED análogo ao que usamos por 14 centavos, mas com a perovskita quiral incorporada, transformamos uma tecnologia já robusta (e bem compreendida) em um dispositivo de controle de spin futurista.”
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