由美国能源部(DOE)国家可再生能源实验室(NREL)科学家领导的研究工作取得了进展，可以实现更广泛的目前无法想象的光电设备。

研究人员之前的创新包括加入钙钛矿层，从而创造出一种新型偏振发光二极管(LED)，这种二极管无需使用磁场或铁磁接触即可在室温下发射自旋控制的光子。现在，他们又迈进了一步，将 III-V 族半导体光电结构与手性卤化物钙钛矿半导体相结合。

也就是说，他们将现有的商业化 LED 改造成可以控制电子自旋的 LED。该成果为改造现代光电子学提供了一条途径，光电子学是一个依赖于光控制的领域，包括 LED、太阳能电池、电信激光器等设备。

美国国家可再生能源实验室高级研究员、《自然》杂志上题为“室温自旋注入手性钙钛矿/III-V 界面”的文章合著者马修·比尔德 (Matthew Beard) 表示：“这取决于人们的想象力。”

Beard 还担任能源有机无机混合半导体中心 (CHOISE) 主任。这项研究依靠来自 NREL、科罗拉多矿业学院、犹他大学、科罗拉多大学博尔德分校和法国洛林大学的广泛科学专业知识。

CHOISE 的目标是利用精心设计的化学系统来理解如何控制电荷、自旋和光的相互转化。具体来说，这项工作的重点是控制可以“向上”或“向下”的电子自旋。

当今大多数光电器件都依赖于电荷和光之间的相互转换。然而，自旋是电子的另一个特性，控制自旋可以实现大量新效果和功能。研究人员在 2021 年发表了一篇论文，报告了他们如何通过使用两个不同的钙钛矿层来控制自旋，方法是创建一个阻止电子“旋转”到错误方向的过滤器。

他们当时假设，如果能成功将这两种半导体结合起来，光电子技术就能取得进步，然后他们就真的这么做了。他们取得的突破包括不再需要零下摄氏度的温度，可以用来提高数据处理速度，减少所需的电量。

比尔德说：“当今大多数技术都是基于控制电荷的。大多数人都忘记了电子自旋，但自旋非常重要，它也是人们可以控制和利用的另一个参数。”

以前，纵半导体中的电子自旋需要在施加磁场的情况下使用铁磁接触。利用手性钙钛矿，研究人员能够将 LED 转变为在室温下无需磁场即可发出偏振光的 LED。手性是指材料的结构不能叠加在其镜像上，例如手。

例如，“左手”取向的手性系统可能允许传输“向上”自旋的电子，但阻止“向下”自旋的电子，反之亦然。然后电子的自旋被转换为发射光的“自旋”或极化。

偏振度(测量沿一个方向偏振的光的强度)在之前的研究中达到了约 2.6%。添加 III-V 半导体(由元素周期表第三列和第五列的材料制成)将偏振度提升至约 15%。偏振度可直接衡量 LED 中的自旋积累。

“这项工作对我来说特别令人兴奋，因为它将旋转功能与传统 LED 平台结合在一起，”该工作的第一作者 Matthew Hautzinger 说。

“您可以花 14 美分购买与我们之前使用的类似的 LED，但通过加入手性钙钛矿，我们已经将一种已经很强大(并且很好理解)的技术转变为一种具有未来感的自旋控制装置。”