L’optoélectronique obtient le contrôle du spin grâce aux perovskites chirales et aux semi-conducteurs III-V

Un effort de recherche mené par des scientifiques du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du ministère américain de l’Énergie (DOE) a réalisé des avancées qui pourraient permettre une gamme plus large de dispositifs optoélectroniques actuellement inimaginables.

Les chercheurs, dont l’innovation précédente comprenait l’incorporation d’une couche de pérovskite qui permettait la création d’un nouveau type de diode électroluminescente (DEL) polarisée qui émet des photons à spin contrôlé à température ambiante sans utiliser de champs magnétiques ou de contacts ferromagnétiques, sont maintenant allés plus loin en intégrant une structure optoélectronique à semi-conducteur III-V avec un semi-conducteur à pérovskite halogénure chiral.

Autrement dit, ils ont transformé une LED commercialisée existante en une LED qui contrôle également le spin des électrons. Les résultats ouvrent la voie à la transformation de l’optoélectronique moderne, un domaine qui repose sur le contrôle de la lumière et qui englobe les LED, les cellules solaires et les lasers de télécommunication, entre autres dispositifs.

« C’est à chacun d’imaginer où cela pourrait aller ou où cela pourrait finir », a déclaré Matthew Beard, chercheur principal au NREL et co-auteur de l’étude. Nature article intitulé « Injection de spin à température ambiante à travers une interface chirale-pérovskite/III-V ».

Beard est également directeur du Center for Hybrid Organic Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE). La recherche s’est appuyée sur une vaste expertise scientifique provenant du NREL, de la Colorado School of Mines, de l’Université de l’Utah, de l’Université du Colorado à Boulder et de l’Université de Lorraine en France.

L’objectif de CHOISE est de comprendre le contrôle de l’interconversion de la charge, du spin et de la lumière à l’aide de systèmes chimiques soigneusement conçus. En particulier, les travaux se concentrent sur le contrôle du spin des électrons qui peut être « vers le haut » ou « vers le bas ».

La plupart des dispositifs optoélectroniques actuels reposent sur l’interconversion entre charge et lumière. Cependant, le spin est une autre propriété des électrons, et le contrôle de ce spin pourrait permettre une multitude de nouveaux effets et fonctionnalités. Les chercheurs ont publié un article en 2021 dans lequel ils ont expliqué comment, en utilisant deux couches de pérovskite différentes, ils ont pu contrôler le spin en créant un filtre qui bloque les électrons qui « tournent » dans la mauvaise direction.

Ils avaient alors émis l’hypothèse que des progrès pourraient être réalisés dans le domaine de l’optoélectronique s’ils parvenaient à intégrer les deux semi-conducteurs, et c’est exactement ce qu’ils ont fait. Les avancées réalisées, qui incluent l’élimination du besoin de températures inférieures à zéro degré Celsius, peuvent être utilisées pour augmenter les vitesses de traitement des données et réduire la quantité d’énergie nécessaire.

« La plupart des technologies actuelles reposent sur le contrôle de la charge », explique Beard. « La plupart des gens oublient simplement le spin de l’électron, mais le spin est très important et c’est aussi un autre paramètre que l’on peut contrôler et utiliser. »

Jusqu’à présent, la manipulation du spin des électrons dans un semi-conducteur nécessitait l’utilisation de contacts ferromagnétiques soumis à un champ magnétique. Grâce à des perovskites chirales, les chercheurs ont pu transformer une LED en une LED émettant une lumière polarisée à température ambiante et sans champ magnétique. La chiralité fait référence à la structure du matériau qui ne peut pas être superposée à son image miroir, comme une main.

Par exemple, un système chiral orienté « vers la gauche » peut permettre le transport d’électrons ayant un spin « vers le haut » mais bloquer les électrons ayant un spin « vers le bas », et vice versa. Le spin de l’électron est alors converti en « spin », ou polarisation, de la lumière émise.

Le degré de polarisation, qui mesure l’intensité de la lumière polarisée dans une direction, a atteint environ 2,6 % lors de la recherche précédente. L’ajout du semi-conducteur III-V, composé de matériaux des troisième et cinquième colonnes du tableau périodique, a augmenté la polarisation à environ 15 %. Le degré de polarisation sert de mesure directe de l’accumulation de spin dans la LED.

« Ce travail est particulièrement passionnant pour moi, car il combine la fonctionnalité de rotation avec une plate-forme LED traditionnelle », a déclaré le premier auteur du travail, Matthew Hautzinger.

« Vous pouvez acheter une LED analogue à celle que nous avons utilisée pour 14 cents, mais avec la pérovskite chirale incorporée, nous avons transformé une technologie déjà robuste (et bien comprise) en un dispositif de contrôle de rotation futuriste. »