キラルペロブスカイトとIII-V半導体によりオプトエレクトロニクスのスピン制御が進展

Tokyo米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、光電子工学の分野で大きな発見をしました。マシュー・ビアードが率いるチームは、キラルペロブスカイトをIII-V族半導体と組み合わせ、室温で電子スピンを制御できるLEDを作り出しました。この技術は、LED、太陽電池、通信レーザーなどの新たなデバイスの進化につながる可能性があります。

主な成果には以下のものがあります。

• ペロブスカイト層とIII-V族半導体を組み合わせる。
• 室温でスピン制御された光子を放出するLEDを開発する。
• 磁場や強磁性接触が不要になるようにする。
• 放出される光の偏光度を高める。

チームは以前、層状材料を使用して電子スピンを変える研究を行っていました。これにより、スピンの向きによって電子を分離することが可能になりました。今回、彼らはこの材料を商用LEDに応用することで研究を進展させました。III-V族半導体を追加することにより、極化率を2.6%から15%に向上させました。

この研究は、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）からの資金提供を受けており、米国エネルギー省が支援しています。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研究者たちが、この研究に専門知識を提供しました。

研究の主著者であるマシュー・ハウツィンガー氏は、彼らの研究の実用性を強調しました。「私たちが使用したものに似たLEDは14セントで購入できます」と彼は述べました。「しかし、特別なキラルペロブスカイトを加えることで、よく知られた強力な技術をスピンを制御できるデバイスに変えました。」この改良は現実的で広く応用できるものであり、単なる実験室上のアイデアではありません。

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データ処理速度を向上させ、消費電力を削減する可能性があります。従来の技術は主に電子の電荷を制御しており、そのスピンを見過ごしがちでした。しかし、電子のスピンも制御し利用することができます。これにより、光電子デバイスに新しい効果や機能がもたらされる可能性があります。

キラリティはこの新素材の重要な特徴です。キラル構造はその鏡像と全く一致することができません。例えば、「左手系」のキラルシステムは「上」スピンの電子のみを通過させ、「下」スピンの電子をブロックするか、その逆の動作をします。この特性により、素材は電子スピンを偏光に変換することができ、その結果、効率性と機能性が向上します。

研究では、光、電荷、スピンをオプトエレクトロニクスデバイスで制御する上での進展が示されています。この進化は、予想外の技術を生み出す可能性があります。「これがどこに向かうのか、どのように展開されるのかは、想像力に委ねられています」とビアード氏は述べています。このコメントは、この発見の潜在的な影響を強調しています。

最近の進展により、電子スピンの制御と理解が向上したことで、より高速で効率的な、そして新しい機能を持つ光電子デバイスが間もなく登場する可能性があります。キラルペロブスカイトとIII-V族半導体を組み合わせることで、多くの技術分野が変革されるかもしれません。