Filter “Miracle” Mengubah LED yang Dibeli di Toko Menjadi Perangkat Spintronik

Filter spin kiral, dibuat dari bahan perovskit halida organik-anorganik hibrid, memungkinkan LED konvensional untuk memanipulasi orientasi spin elektron pada suhu ruangan tanpa memerlukan feromagnet atau medan magnet, sehingga mengatasi hambatan utama pada spintronik komersial.

Kemajuan terkini dalam spintronik telah menghasilkan pengembangan LED yang dimodifikasi yang mengendalikan spin elektron tanpa feromagnet atau medan magnet, menggunakan filter spin baru yang terbuat dari perovskit halida organik-anorganik hibrida kiral. Teknologi ini, yang memungkinkan pemrosesan information yang lebih efisien dengan menetapkan nilai biner ke standing spin elektron, menandai lompatan maju yang signifikan dalam mengintegrasikan spintronik dengan teknologi semikonduktor yang ada.

Penggunaan elektronik tradisional semikonduktor untuk mengirimkan information dengan memanfaatkan semburan pembawa muatan (elektron atau lubang) untuk merepresentasikan pesan dalam bentuk “1” dan “0.” Sebaliknya, perangkat spintronik dapat menangani informasi yang jauh lebih banyak dengan menetapkan kode biner berdasarkan orientasi kutub magnet elektron, suatu sifat yang dikenal sebagai spin. Spin “atas” merepresentasikan angka 1, sedangkan spin “bawah” merepresentasikan angka 0.

Kendala utama spintronik komersial adalah pengaturan dan pemeliharaan orientasi spin elektron. Sebagian besar perangkat menyetel orientasi spin menggunakan feromagnet dan medan magnet, sebuah proses yang memberatkan dan tidak dapat diandalkan. Penelitian selama puluhan tahun telah menunjukkan bahwa pembawa kehilangan orientasi spinnya saat berpindah dari materials dengan konduktivitas tinggi ke konduktivitas rendah—misalnya, dari feromagnet logam ke silikon tak terdoping dan materials polimer terkonjugasi yang membentuk sebagian besar semikonduktor trendy.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan mengubah perangkat optoelektronik yang ada menjadi perangkat yang dapat mengendalikan putaran elektron pada suhu ruangan, tanpa feromagnet atau medan magnet.

Sebagian besar perangkat optoelektronik, seperti LED, hanya mengendalikan muatan dan cahaya, tetapi tidak mengendalikan putaran elektron. Dalam sebuah studi baru yang dipimpin oleh fisikawan dan peneliti Universitas Utah di Laboratorium Energi Terbarukan Nasional (NREL), mengganti elektroda LED yang dibeli di toko dengan filter putaran yang dipatenkan, yang terbuat dari bahan perovskit halida organik-anorganik hibrida. LED menghasilkan cahaya terpolarisasi melingkar, tanda yang menunjukkan bahwa filter telah menyuntikkan elektron yang selaras dengan putaran ke dalam infrastruktur semikonduktor LED yang ada, sebuah langkah maju yang besar bagi teknologi spintronik.

Tumpukan spin-LED yang memancarkan elektroluminesensi terpolarisasi melingkar. (R-MBA2Pbl) bertindak sebagai filter spin, yang memungkinkan hanya pembawa terpolarisasi (lingkaran biru) yang mengalir melalui LED dan bergabung kembali dalam beberapa sumur kuantum (MQW) yang memancarkan cahaya terpolarisasi melingkar (heliks kuning). Kredit: Hautzinger, M. et al. Nature (2024)

“Ini adalah sebuah keajaiban. Selama beberapa dekade, kami tidak mampu menyuntikkan elektron yang selaras dengan spin ke dalam semikonduktor secara efisien karena ketidakcocokan antara feromagnet logam dan semikonduktor nonmagnetik,” kata Valy Vardeny, Profesor Terhormat di Departemen Fisika & Astronomi di U dan salah satu penulis makalah tersebut. “Semua jenis perangkat yang menggunakan spin dan optoelektronik, seperti spin-LED atau memori magnetik, akan senang dengan penemuan ini.”

Studi ini baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Alam.

Filter putar

Pada tahun 2021, kolaborator yang sama mengembangkan teknologi yang berfungsi sebagai filter spin aktif yang terbuat dari dua lapisan materials berurutan, yang disebut perovskit halida organik-anorganik hibrida kiral. Kiralitas menggambarkan simetri molekul, di mana bayangan cerminnya tidak dapat ditumpangkan pada dirinya sendiri. Tangan manusia adalah contoh klasiknya; ulurkan tangan Anda, telapak tangan menghadap ke arah lain. Tangan kanan dan kiri disusun seperti cermin satu sama lain—Anda dapat membalikkan tangan kanan Anda 180° agar sesuai dengan siluet, tetapi sekarang telapak tangan kanan menghadap Anda sementara telapak tangan kiri menghadap ke arah lain. Keduanya tidak sama.

Beberapa molekul, seperti DNAgula, dan lapisan perovskit organik-halida hibrida kiral, memiliki atom-atom yang tersusun dalam simetri kiral. Filter tersebut bekerja dengan menggunakan lapisan kiral berorientasi “kidal” untuk memungkinkan elektron dengan spin “atas” lewat, tetapi menghalangi elektron dengan spin “bawah”, dan sebaliknya. Pada saat itu, para ilmuwan mengklaim penemuan tersebut dapat digunakan untuk mengubah optoelektronik konvensional menjadi perangkat spintronik hanya dengan menggabungkan filter spin kiral. Studi baru tersebut berhasil melakukannya.

“Kami mengambil LED dari rak. Kami melepas satu elektroda dan memasang bahan filter putar dan elektroda biasa lainnya. Dan voila! Cahayanya sangat terpolarisasi secara melingkar,” kata Vardeny.

Ahli kimia dari NERL membuat LED spin dengan menumpuk beberapa lapisan, masing-masing dengan sifat fisik tertentu. Lapisan pertama adalah elektroda logam transparan umum; materials lapisan kedua menghalangi elektron yang berputar ke arah yang salah, lapisan yang oleh penulis disebut filter spin yang diinduksi kiralitas. Elektron yang selaras dengan spin kemudian bergabung kembali di lapisan ketiga, semikonduktor standar yang digunakan sebagai lapisan aktif dalam LED biasa. Elektron yang selaras dengan spin yang disuntikkan menyebabkan lapisan ini menghasilkan foton yang bergerak serempak di sepanjang jalur spiral, bukan pola gelombang konvensional, untuk menghasilkan elektroluminesensi terpolarisasi melingkar khas LED,

“Karya ini menunjukkan kemampuan unik dan hebat bagi semikonduktor 'hibrida' yang baru muncul ini untuk menggabungkan dan memanfaatkan interaksi sifat-sifat unik dari sistem organik dan anorganik,” kata Matthew Beard, salah satu penulis studi NREL. “Di sini, kiralitas dipinjam dari molekul organik dan memberikan kendali atas spin sementara komponen anorganik mengarahkan komponen organik dan memberikan konduktivitas atau kendali muatan berlebih.”

Setelah mereka memasang filter tersebut ke dalam LED standar, Xin Pan, asisten peneliti di Departemen Fisika & Astronomi di U, mengonfirmasi bahwa perangkat tersebut bekerja sebagaimana mestinya, yaitu dengan elektron yang sejajar dengan spin. Namun, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menjelaskan mekanisme pasti yang bekerja untuk menciptakan spin terpolarisasi.

“Itulah pertanyaan yang bernilai $64.000 yang harus dijawab oleh seorang ahli teori,” kata Vardeny. “Itu benar-benar sebuah keajaiban. Dan keajaiban itu terjadi tanpa mengetahui mekanisme dasar yang sebenarnya. Jadi, itulah indahnya menjadi seorang eksperimentalis. Anda hanya perlu mencobanya.”

Para penulis menegaskan bahwa ilmuwan lain dapat menerapkan teknik ini menggunakan bahan kiral lain, seperti DNA, dalam banyak konteks.

Referensi: “Injeksi spin suhu ruangan melintasi antarmuka perovskit/III–V kiral” oleh Matthew P. Hautzinger, Xin Pan, Steven C. Hayden, Jiselle Y. Ye, Qi Jiang, Mickey J. Wilson, Alan J. Phillips, Yifan Dong, Emily Okay. Raulerson, Ian A. Leahy, Chun-Sheng Jiang, Jeffrey L. Blackburn, Joseph M. Luther, Yuan Lu, Katherine Jungjohann, Z. Valy Vardeny, Joseph J. Berry, Kirstin Alberi dan Matthew C. Beard, 19 Juni 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-07560-4

Pekerjaan ini didukung sebagai bagian dari Pusat Penelitian Perbatasan Energi Semikonduktor Organik Anorganik Hibrida untuk Energi (CHOISE) di Departemen Energi AS, dan Badan Penelitian Nasional Prancis.