传统电子器件使用半导体通过带电载体(电子或空穴)脉冲传输数据，以“1”和“0”的形式传递信息。自旋电子设备可以通过为电子磁极的方向分配二进制代码来处理数量级更大的信息，这种特性称为自旋——“向上”自旋为1，“向下”自旋为0。

商业自旋电子学的一个主要障碍是设定和维持电子自旋方向。大多数设备使用铁磁体和磁场来调整自旋方向，这是一个繁琐且不可靠的过程。数十年的研究表明，载流子从高电导率材料转移到低电导率材料时会失去自旋方向——例如，从金属铁磁体到构成大多数现代半导体的未掺杂硅和共轭聚合物材料。

科学家首次将现有的光电设备改造成可在室温下控制电子自旋的设备，无需铁磁体或磁场。

大多数光电设备(例如LED)仅控制电荷和光，而不控制电子的自旋。在由犹他大学物理学家和国家可再生能源实验室(NREL)研究人员领导的这项新研究中，用专利自旋滤波器取代了商店购买的LED的电极，该滤波器由混合有机无机卤化物钙钛矿材料制成。LED产生圆偏振光，这表明滤波器已将自旋对齐的电子注入LED现有的半导体基础设施，这是自旋电子学技术的一大进步。

“这是一个奇迹。几十年来，由于金属铁磁体和非磁性半导体不匹配，我们一直无法有效地将自旋对齐的电子注入半导体，”该论文的合著者、芝加哥大学物理与天文系杰出教授ValyVardeny说道。“所有使用自旋和光电子学的设备，如自旋LED或磁性存储器，都会因这一发现而兴奋不已。”

旋转过滤器

2021年，同一批合作者开发了一项技术，该技术可充当由两层连续材料制成的主动自旋过滤器，称为手性杂化有机-无机卤化物钙钛矿。手性描述了分子的对称性，即其镜像不能叠加在自身上。人的手就是典型的例子;伸出你的手，手掌朝外。左右手排列成彼此的镜像——你可以将右手翻转180°以匹配轮廓，但现在右手掌朝向你，而左手掌朝外。它们是不一样的。

一些分子，如DNA、糖和手性杂化有机卤化物钙钛矿层，其原子排列成手性对称。该滤波器的工作原理是使用“左手”取向的手性层，允许自旋“向上”的电子通过，但阻挡自旋“向下”的电子，反之亦然。当时，科学家声称，只需结合手性自旋滤波器，这一发现就可用于将传统光电子器件转变为自旋电子器件。这项新研究正是这样做的。

“我们从架子上取下一个LED。我们取出一个电极，放入旋转过滤材料和另一个常规电极。瞧!光是高度圆偏振的，”瓦尔德尼说。

NERL的化学家通过堆叠多层材料制作出自旋LED，每层材料都有特定的物理特性。第一层是常见的透明金属电极;第二层材料可阻挡自旋方向错误的电子，作者将这一层称为手性诱导自旋过滤器。

然后，自旋排列的电子在第三层重新结合，第三层是用作普通LED中的有源层的标准半导体。注入的自旋排列电子使该层产生沿螺旋路径(而不是传统的波浪形)同步移动的光子，从而产生LED标志性的圆偏振电致发光，

NREL研究报告的共同作者马修·比尔德(MatthewBeard)表示：“这项研究展示了这些新兴‘混合’半导体的独特而强大的能力，它们能够结合并利用有机和无机系统不同特性的相互作用。在这里，手性借用自旋，控制自旋，而无机成分则引导有机成分，并提供导电性或控制电荷。”

一旦他们将滤光片安装到标准LED中，该大学物理与天文系的研究助理XinPan便确认该设备按预期工作，即通过自旋对齐电子。然而，需要更多的研究来解释产生极化自旋的确切机制。

“对于理论家来说，这是一个价值64,000美元的问题，”瓦尔德尼说。“这真是一个奇迹。奇迹在于不知道确切的潜在机制。这就是实验主义者的魅力所在。你只需尝试。”

作者断言，其他科学家可以在许多情况下使用其他手性材料(例如DNA)应用该技术。

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