Органический полимер, пригодный для печати, который при печати собирается в хиральные структуры, позволил исследователям надежно измерить количество заряда, образующегося при преобразовании спина в заряд в спинтронном материале при комнатной температуре. Настраиваемые качества и универсальность полимера делают его желательным не только для менее дорогих, экологически чистых электронных приложений, пригодных для печати, но также для использования в более широком понимании киральности и спиновых взаимодействий.

Устройства спинтроники — это электронные устройства, которые используют вращение электрона, а не его заряд, для создания энергоэффективного тока, используемого для хранения данных, связи и вычислений. Хиральные материалы относятся к материалам, которые нельзя наложить на их зеркальное отражение — вспомните, например, ваши левую и правую руки. Если положить левую руку на правую, положение пальцев поменяется местами. Это и есть хиральность.

Хиральность в материалах спинтроники позволяет разработчикам контролировать направление вращения внутри материала, известное как эффект «спиновой селективности, индуцированной киральности (СНПЧ)». Эффект СНПЧ возникает, когда ток заряда течет вдоль киральной оси в киральном материале, вызывая преобразование спина или заряда в спин без необходимости использования ферромагнитных элементов. Преобразование заряда в спин необходимо для хранения памяти в вычислительных устройствах.

«Мы знаем, что преобразование заряда в спин, управляемое СНПЧ, эффективно работает в киральных полупроводниках, но мы хотим знать, почему», — говорит Дали Сан, доцент кафедры физики, член Лаборатории органической и углеродной электроники (ORaCEL) в Северной Каролине. государственного университета и соавтор-корреспондент работы. «И простой способ понять загадочную механику такого процесса — обратить его вспять, то есть посмотреть на преобразование спина в заряд посредством обратного эффекта СНПЧ».

Сунь работал с Ин Дяо, доцентом кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Университете Иллинойса Урбана-Шампейн и соавтором работы, который разработал процессы печати для сборки сопряженных органических полимеров в хиральные спиральные структуры. Статья «Эффект спиновой селективности, индуцированный обратной хиральностью в хиральных ансамблях π-сопряженных полимеров» была опубликована в журнале Nature Materials .

«Органические материалы могут переносить вращение на большие расстояния, но они не способны преобразовывать вращение в заряд, что необходимо для устройств спинтроники », — говорит Диао. «Сделав структуру этого материала хиральной, мы можем использовать ее для преобразования спина и заряда».

«Эффект СНПЧ создается путем помещения заряда в хиральное устройство спинтроники, но выяснить, насколько эффективно заряд преобразуется во вращение внутри устройства, очень сложно, потому что трудно измерить произведенное вращение количественным способом», — говорит Сан. .

«Эффект спиновой селективности, вызванный обратной киральностью, или ICISS, когда вы помещаете спин в устройство и измеряете результирующий ток, не изучался в органических полимерах», — говорит Сан. «Но измерить ток гораздо проще, чем вращение. Вот что мы сделали».

Сан использовал микроволновое возбуждение в качестве метода спиновой накачки, чтобы ввести чистый спин в органический полимер и измерить результирующий ток.

Исследователи обнаружили, что время жизни спина до наносекунд было достижимо в хиральном органическом полимере при комнатной температуре , в отличие от пикосекундного времени жизни в традиционных материалах спинтроники.

«Прелесть этого материала, помимо прочего, в том, что его можно настраивать», — говорит Сан. «Мы можем изменить хиральность, проводимость и посмотреть, как это влияет на вращение или эффективность. Теперь у нас есть способ по-настоящему понять, почему работают устройства спинтроники, связанные с СНПЧ, что может помочь нам разработать более качественные и эффективные устройства».

«Изготовление электроники на основе полимеров гораздо менее энергозатратно, чем нынешняя электроника, и ее легко масштабировать для производства», — говорит Диао. «Поскольку полимерные полупроводники пригодны для печати (их можно печатать так же, как газеты), они идеально подходят для портативных, гибких и растягивающихся приложений, начиная от солнечных батарей и заканчивая новыми формами компьютеров».