Полупроводники теперь различают «лево» и «право»: что это значит для наших смартфонов

Команда из Кембриджского университета и Технологического университета Эйндховена решила научный вопрос , который десятилетиями оставался без ответа. Учёные разработали полупроводник, вынуждающий электроны двигаться спиралью — подобно тому, как закручивается резьба винта. Такое свойство может радикально изменить мир современной электроники.

Главная особенность нового материала — способность излучать циркулярно-поляризованный свет. Это означает, что фотоны несут информацию о так называемой «хиральности» электронов — правом или левом направлении вращения. Для сравнения: традиционные неорганические полупроводники, такие как кремний, имеют симметричную внутреннюю структуру. В них электроны перемещаются хаотично, без какого-либо преимущественного направления.

Хиральность (от греческого слова «хейр» — рука) широко распространена в природе. Молекулы с хиральной структурой похожи на левую и правую руки человека — они выглядят как зеркальные отражения друг друга, но не могут быть совмещены. Феномен играет ключевую роль в формировании ДНК и других биологических процессах. Тем не менее, до сих пор учёным не удавалось эффективно применить и контролировать его в электронных устройствах.

Вдохновившись природными процессами, исследователи придумали, как заставить молекулы полупроводника выстраиваться в упорядоченные спиральные колонны — правосторонние или левосторонние.

Технология дисплеев — одна из самых перспективных областей применения хиральных полупроводников. Экраны современных устройств теряют много энергии из-за особенностей фильтрации света. Когда свет проходит через поляризационные фильтры в ЖК-дисплеях, примерно половина его интенсивности блокируется. Новый полупроводник от природы излучает свет с нужной поляризацией, что может существенно уменьшить энергетические потери. В результате экраны гаджетов станут ярче и будут потреблять меньше электроэнергии.

В основе разработки лежит соединение под названием триазатруксен (ТАТ), демонстрирующее самые необычные свойства: составляющие его молекулы самопроизвольно формируют спиральные конструкции, напоминающие миниатюрные винтовые лестницы. По таким "лестницам" перемещаются электроны, создавая уникальный физический эффект. При воздействии синего или ультрафиолетового излучения молекулярная структура переходит в возбужденное состояние. Возвращаясь к исходным параметрам, материал начинает излучать насыщенный зеленый свет с выраженной циркулярной поляризацией – волны света закручиваются вдоль траектории распространения. Благодаря такой архитектуре на молекулярном уровне ТАТ позволяет контролировать не только перемещение заряженных частиц, но и их спиновые характеристики.

Учёные модифицировали стандартные методы изготовления OLED-экранов и успешно встроили ТАТ в работающие циркулярно-поляризованные органические светодиоды (CP-OLED). Устройства показали небывалые результаты по эффективности, яркости и степени поляризации света, превзойдя все существующие аналоги.

По сути, команда переосмыслила технологию создания OLED-дисплеев, которая сегодня используется во всех смартфонах, ведь ей удалось заключить хиральную структуру внутрь стабильной матрицы, не подверженной кристаллизации.

Хиральные полупроводники знаменуют новый этап развития органической электроники, рынок которой сегодня оценивается более чем в 60 миллиардов долларов. Они позволят существенно снизить энергопотребление экранов, делая гаджеты более экологичными и экономичными. Более того, органическая природа этих материалов упрощает их производство и утилизацию.

Также, помимо дисплеев, это достижение открывает новые горизонты для квантовых вычислений и спинтроники – направления, изучающего не только заряд электрона, но и его спин, своеобразное вращение частицы вокруг собственной оси. Манипулируя спиновыми состояниями, инженеры смогут создавать более быстрые и защищенные системы обработки информации.