«Эта статья — первая, демонстрирующая обратный спиновый эффект Холла в ряде органических полупроводников с беспрецедентной чувствительностью», хотя исследование 2013 года, проведенное другими исследователями, продемонстрировало меньшую чувствительность в одном таком материале, — говорит Кристоф Беме, старший автор исследования. Исследование опубликовано 18 апреля в журнале Nature Materials.«Обратный спиновый эффект Холла — замечательное явление, которое превращает так называемый спиновой ток в электрический ток.
Эффект настолько странный, что никто не знает, для чего он в конечном итоге будет использоваться, но многие технические приложения возможны, в том числе очень странные новые. схемы преобразования энергии ", — говорит Беме, профессор физики.Его коллега-старший автор, выдающийся профессор З. Вали Вардени, говорит, что, используя импульсы микроволн, обратный спиновый эффект Холла и органические полупроводники для преобразования спинового тока в электричество, эта новая электродвижущая сила генерирует электрический ток способом, отличным от существующих источников.Угольные, газовые, гидроэлектрические, ветряные и атомные электростанции используют динамо-машины для преобразования механической силы в изменения магнитного поля, а затем в электричество. Современные батареи и солнечные элементы используют химические реакции, которые преобразуют свет в электрический ток.
Другой метод — преобразование спинового тока в электрический.Ученые уже разрабатывают такие устройства, как термоэлектрический генератор, с использованием традиционных неорганических полупроводников. По словам Вардени, органические полупроводники перспективны, потому что они дешевы, легко обрабатываются и экологически безопасны. Он отмечает, что как органические солнечные элементы, так и телевизионные дисплеи на органических светодиодах были разработаны, хотя кремниевые солнечные элементы и неорганические светодиоды широко использовались.
Вардени и Беме подчеркнули, что эффективность, с которой органические полупроводники преобразуют спиновой ток в электрический, остается неизвестной, поэтому еще слишком рано предсказывать, в какой степени он может однажды быть использован для новых технологий преобразования энергии в батареях, солнечных элементах, компьютерах, телефоны и другая бытовая электроника.«Я хочу проявить некоторую осторожность», — говорит Беме. «Это новый эффект преобразования энергии, который практически не изучен».Беме отмечает, что эксперименты в новом исследовании преобразовали больше спинового тока в электрический ток, чем в исследовании 2013 года, но Вардени предупредил, что эффект все же «придется многократно увеличивать, чтобы получить напряжения, эквивалентные бытовым батареям».Новое исследование финансировалось Национальным научным фондом и Центром исследований материалов и инженерии Университета Юты.
Соавторами исследования с Вардени и Беме были физики из Университета штата Юта: доценты-исследователи Дали Сан и Ханс Малисса, докторанты Кипп ван Шутен и Чуанг Чжан, а также аспиранты Марзи Каванд и Мэтью Грусбек.От спинового тока к электрическомуТак же, как атомные ядра и электроны, вращающиеся вокруг них, несут электрические заряды, им присуще еще одно свойство: спин, который заставляет их вести себя как крошечные стержневые магниты, которые могут указывать на север или юг.
Электронные устройства хранят и передают информацию, используя поток электричества в виде электронов, которые представляют собой отрицательно заряженные субатомные частицы. Нули и единицы компьютерного двоичного кода представлены отсутствием или присутствием электронов в кремнии или других неорганических полупроводниках.
Спиновая электроника — спинтроника — обещает более быстрые и дешевые компьютеры, лучшую электронику и светодиоды для дисплеев, а также меньшие датчики для обнаружения всего, от излучения до магнитных полей.По словам Вардени, обратный спиновый эффект Холла был впервые продемонстрирован в металлах в 2008 году, а затем в неорганических полупроводниках. В 2013 году исследователи в другом месте показали, что это происходит в органическом полупроводнике под названием PEDOT: PSS, когда он подвергается непрерывному воздействию микроволн, которые были относительно слабыми, чтобы избежать обжаривания полупроводника.Но Беме и Вардени говорят, что электрический ток, генерируемый в этом исследовании обратным спиновым эффектом Холла, был небольшим — нановольтным — и был скрыт из-за микроволнового нагрева образца и других нежелательных эффектов.
«Мы подумали, давайте создадим разные устройства, чтобы эти ложные эффекты были устранены или были очень малы по сравнению с эффектом, который мы хотели наблюдать», — говорит Беме.В новом исследовании исследователи использовали короткие импульсы более мощных микроволн, чтобы использовать обратный спиновый эффект Холла и преобразовать спиновой ток в электрический ток в семи органических полупроводниках, в основном при комнатной температуре.
Одним из органических полупроводников был PEDOT: PSS — тот же материал, что и в исследовании 2013 года. Остальные были тремя богатыми платиной органическими полимерами, двумя так называемыми пи-конъюгированными полимерами и сферической молекулой углерода-60, названной бакминстерфуллереном, потому что она выглядит как пара геодезических куполов, популяризированных покойным архитектором Бакминстером Фуллером.
По словам Вардени, углерод-60 на удивление оказался наиболее эффективным полупроводником для преобразования спиновых волн в электрический ток.Как проводились экспериментыФизики из Юты предпринимают несколько шагов, чтобы преобразовать спиновой ток в электрический. Они начинаются с небольшого предметного стекла, примерно 2,1 дюйма в длину и одну шестую дюйма в ширину.
К одному концу предметного стекла прикреплены два электрических контакта. Тонкие плоские медные провода проходят по всей длине ползуна, соединяя контакты на одном конце с «сэндвичем» на другом конце, который включает стекло внизу, испытываемый полупроводник из органического полимера в середине и железо-никелевый ферромагнетик. наверху.Затем это устройство продольно вставляют в металлическую трубку диаметром около 1 дюйма и длиной 3,5 дюйма.
Непроводящий материал окружает устройство внутри этой трубки, которая затем вставляется в магнит размером со стол, который генерирует магнитное поле.«Мы прикладываем магнитное поле и оставляем его более или менее постоянным», — говорит Беме. «Затем мы подключаем два контакта к измерителю напряжения и начинаем измерять напряжение, выходящее из устройства, как функцию времени».
При наличии только магнитного поля электрический ток обнаружен не был. Но затем физики из Юты обстреляли органическое полупроводниковое устройство импульсами микроволн — такими же мощными, как из домашней микроволновой печи, но импульсами в диапазоне от 100 до 5000 наносекунд (последняя равна одной 200000-й доли секунды).
«Внезапно мы увидели напряжение во время этого импульса», — говорит Беме.Вардени говорит, что микроволновые импульсы генерируют спиновые волны в магните устройства, затем волны преобразуются в спиновый ток в органическом полупроводнике, а затем в электрический ток, определяемый как напряжение.
По сравнению с исследованием 2013 года, использование микроволновых импульсов в экспериментах в Юте означало, что «наша мощность намного выше, но нагрев намного меньше, а обратный спиновый эффект Холла примерно в 100 раз сильнее», — говорит Беме.По сути, импульсные микроволны позволяют усилить эффект Холла с обратным вращением, чтобы его можно было использовать для преобразования энергии, добавляет Вардени.Новое исследование также показало, что преобразование спинового тока в электрический ток работает в органических полупроводниках посредством «спин-орбитальной связи» — тот же процесс, что и в неорганических проводниках и полупроводниках, — хотя явление в неорганических и органических материалах работает в основном по-разному, — говорит Беме.
Эта связь намного слабее в органических полупроводниках, чем в неорганических полупроводниках, но «большим достижением, которое мы сделали, было найти экспериментальный метод, достаточно чувствительный, чтобы надежно измерить эти очень слабые эффекты в органических полупроводниках», — говорит Беме.