キラルペロブスカイトとIII-V半導体でスピン制御を強化した光電子工学の新研究

Tokyoアメリカ合衆国エネルギー省の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）の科学者たちは、オプトエレクトロニクスの分野で重要な進展を遂げました。彼らはIII-V族と呼ばれる半導体と特別な素材であるカイラルハライドペロブスカイトを組み合わせて使用しました。この新しい組み合わせにより、通常のLEDを磁場を使用せずに電子スピンを制御できる装置に変えることができました。

チームが達成したことは次のとおりです。

• ペロブスカイト層を用いた偏光LEDを作成しました。
• III-V族半導体とカイラルペロブスカイトを統合しました。
• 室温でのスピン制御を実現しました。

この新技術は光電子工学を変革し、LED、太陽電池、通信用レーザーなどのデバイスに影響を与える可能性があります。

マシュー・ビアード氏は、NRELの上級研究員であり、「室温におけるキラルペロブスカイト/III-V界面を介したスピン注入」というタイトルの論文を共同執筆し、Nature誌に発表しました。また、彼はエネルギーのためのハイブリッド有機無機半導体センター（CHOISE）の指導者でもあり、このセンターは米国エネルギー省の科学基礎エネルギー科学局から資金提供を受けています。

CHOISEは、NREL、コロラド鉱山大学、ユタ大学、コロラド大学ボルダー校、そしてフランスのロレーヌ大学の専門家たちが参加した研究を資金提供しました。

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CHOISEは化学を用いて電荷、スピン、光の相互変換を研究しています。特に、電子のスピンを制御することに重点を置いており、スピンは「上」または「下」の状態をとることができます。

現代の多くのデバイスは、電荷を光に変換し、その逆も行います。スピン制御を加えることで、新たな効果や用途を生み出すことができます。ビアード氏は人々が電子のスピンを見逃しがちだと述べていますが、それは制御可能な重要な要素です。

2021年に研究者たちは、スピンを制御するために2種類のペロブスカイト層を利用しました。彼らは間違ったスピンを持つ電子を遮断するフィルターを作り出しました。この2種類の半導体を使用することで、光エレクトロニクスが強化できると考えました。最近の進展は、その考えが正しかったことを確認しています。

ペロブスカイトをIII-V族半導体と組み合わせることで、極低温が不要になります。これにより、データ処理が改善され、電力消費が削減されます。さらに、III-V族半導体の追加により分極が約15%向上し、LEDにおけるスピン蓄積が強化されます。

筆頭著者のマシュー・ハウツィンガーは、通常のLEDにスピン機能を追加できることに興奮しています。彼は、使用したLEDの価格が約14セントであると述べました。キラルペロブスカイトを追加することで、スピンを制御できるデバイスに変わるのです。