Екип от учени от Университета в Кеймбридж и Технологичния университет в Айндховен е решил научен въпрос, който оставаше без отговор от десетилетия. Учените са разработили полупроводник, който принуждава електроните да се движат по спирала. Подобно свойство може да промени радикално света на съвременната електроника.

Основната характеристика на новия материал е способността му да излъчва кръгово поляризирана светлина. Това означава, че фотоните носят информация за така наречената „хиралност“ на електроните – дясната или лявата посока на въртене. За сравнение, традиционните полупроводници като силиция имат симетрична вътрешна структура. В тях електроните се движат хаотично, без да имат преференциална посока.

Хиралността широко разпространена в природата. Молекулите с хирална структура са като лявата и дясната ръка на човек – те изглеждат като огледални образи една на друга, но не могат да се комбинират. Явлението играе ключова роля при образуването на ДНК и други биологични процеси. Досега обаче учените не са успели да го приложат и контролират ефективно в електронните устройства.

Вдъхновени от природните процеси, изследователите са измислили как да накарат полупроводниковите молекули да се подредят в подредени спираловидни колони – десни или леви.

Технологията на дисплеите е едно от най-обещаващите приложения на хиралните полупроводници. Екраните на съвременните устройства губят много енергия поради особеностите на филтрирането на светлината. Когато светлината преминава през поляризационни филтри в LCD дисплеите, около половината от нейния интензитет се блокира. Новият полупроводник естествено излъчва светлина с правилна поляризация, което може значително да намали загубите на енергия. В резултат на това екраните на джаджите ще бъдат по-ярки и ще консумират по-малко енергия.

Разработката се базира на съединение, наречено триазатруксен (ТАТ), което демонстрира най-необичайни свойства: съставящите го молекули спонтанно образуват спираловидни структури, наподобяващи миниатюрни вити стълби. Електроните се движат по такива „стълби“, създавайки уникален физически ефект. Когато е изложена на синьо или ултравиолетово лъчение, молекулярната структура преминава във възбудено състояние. Връщайки се към първоначалните си параметри, материалът започва да излъчва наситена зелена светлина с ясно изразена кръгова поляризация – светлинните вълни се усукват по пътя на разпространение. Благодарение на тази архитектура на молекулярно ниво ТАТ ви позволява да контролирате не само движението на заредените частици, но и техните спинови характеристики.

Учените модифицираха стандартните методи за производство на OLED екрани и успешно интегрираха TAT в работещи органични светодиоди с кръгова поляризация (CP-OLED). Устройствата показаха безпрецедентни резултати по отношение на ефективността, яркостта и степента на поляризация на светлината, като надминаха всички съществуващи аналози.

Всъщност екипът преосмисли технологията за създаване на OLED-дисплеи, която сега се използва във всички смартфони, тъй като успя да затвори хиралната структура в стабилна матрица, неподлежаща на кристализация.

Хиралните полупроводници бележат нов етап в развитието на органичната електроника, чийто пазар сега се оценява на повече от 60 милиарда долара. Те ще намалят значително консумацията на енергия от екраните, като направят джаджите по-екологични и икономични. Освен това органичният характер на тези материали опростява тяхното производство и изхвърляне.

Също така, в допълнение към дисплеите, това постижение открива нови хоризонти за квантовите компютри и спинтрониката – област, която изучава не само заряда на електрона, но и неговия спин (вид въртене на частицата около собствената ѝ ос). Чрез манипулиране на спиновите състояния инженерите ще могат да създават по-бързи и по-сигурни системи за обработка на информация.