Filtro milagroso transforma LEDs comuns em componentes para a spintrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/08/2024

Estrutura do LED que elimina a necessidade de ferroímãs e campos magnéticos para controlar os componentes spintrônicos.
[Imagem: Matthew P. Hautzinger et al. - 10.1038/s41586-024-07560-4]

"É um milagre."

A eletrônica tradicional usa semicondutores para transmitir ou não transmitir rajadas de portadoras de carga (elétrons ou lacunas), que são então interpretadas como "1s" (transmite) e "0s" (não transmite). Já os componentes spintrônicos podem processar uma ordem de magnitude mais de informações atribuindo um código binário à orientação dos polos magnéticos dos elétrons, uma propriedade conhecida como spin - um spin "para cima" é 1, um "para baixo" é 0.

Já temos uma boa quantidade de componentes spintrônicos no mercado, mas só não temos mais porque ajustar e manter a orientação do spin dos elétrons não é tão simples.

A maioria dos componentes ajusta a orientação do spin usando ferromagnetos e campos magnéticos, um processo trabalhoso e pouco confiável. Décadas de pesquisa mostraram que os portadores de carga perdem a orientação do spin ao passar de materiais com alta condutividade para baixa condutividade, por exemplo, dos ferromagnetos, que são metálicos, para o silício ou para materiais de polímeros conjugados que compõem a maioria dos semicondutores modernos.

Levando tudo isso em consideração, dá para dimensionar a importância do avanço obtido agora por Matthew Hautzinger e colegas da Universidade de Utah, nos EUA.

Hautzinger conseguiu - e é a primeira vez que alguém consegue isso - transformar componentes optoeletrônicos - neste caso um LED - já fabricados industrialmente em componentes capazes de controlar o spin dos elétrons em temperatura ambiente, sem precisar de ferromagnetos ou de um campo magnético externo.

"É um milagre. Por décadas, não conseguimos injetar eficientemente elétrons alinhados ao spin em semicondutores por causa da incompatibilidade dos ferromagnetos metálicos e dos semicondutores não magnéticos," disse o professor Valy Vardeny, cuja equipe já havia inovado com a criação de um LED spintrônico. "Todos os tipos de componentes que usam spintrônica e optoeletrônica, como os spin-LEDs ou as memórias magnéticas, vão vibrar com esta descoberta."

Outra inovação recente que impulsionou a spintrônica envolve encarar cada elétron como um universo.
[Imagem: Jiahao Han et al. - 10.1038/s41567-024-02476-2]

LED spintrônico

A maioria dos dispositivos optoeletrônicos - como os LEDs - controla apenas a carga e a luz, mas não o spin dos elétrons. Mas os pesquisadores substituíram os eletrodos de LEDs comprados em lojas por um filtro de spin que eles criaram, feito de um material híbrido orgânico-inorgânico, um tipo de semicondutor emergente conhecido como perovskita.

O resultado foi que os LEDs passaram a emitir luz polarizada circularmente, um sinal revelador de que o filtro havia injetado elétrons alinhados pelo spin na parte semicondutora original do LED - este é o tal salto "miraculoso" à frente para a tecnologia spintrônica.

"Nós pegamos um LED da prateleira, removemos um eletrodo e colocamos o material do filtro de spin e outro eletrodo regular. E voilà! A luz ficou altamente polarizada circularmente," disse Vardeny.

Os LEDs spintrônicos foram fabricados empilhando várias camadas, cada uma com propriedades físicas específicas. A primeira camada é um eletrodo metálico transparente comum; o material da segunda camada bloqueia elétrons com spin na direção indesejada, uma camada que os pesquisadores chamam de filtro de spin induzido por quiralidade. Os elétrons alinhados ao spin então se recombinam na terceira camada, um semicondutor padrão usado como uma camada ativa em LEDs comuns. Os elétrons alinhados ao spin injetados fazem com que essa camada produza fótons que se movem em uníssono ao longo de um caminho espiral, em vez de um padrão de onda convencional, gerando a eletroluminescência polarizada circular característica do LED spintrônico.

Agora é esperar que a comunidade de pesquisa e a indústria comecem a migrar as tecnologias spintrônicas para a nova arquitetura.

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