Al mostrar que un fenómeno denominado "efecto Hall de giro inverso" funciona en varios semiconductores orgánicos, incluidas las buckyballs de carbono 60, los físicos de la Universidad de Utah transformaron la "corriente de giro" magnética en corriente eléctrica. La eficiencia de esta nueva conversión de potenciaaún no se conoce el método, pero podría ser utilizado en futuros dispositivos electrónicos, incluidas las baterías, las células solares y las computadoras.
"Este documento es el primero en demostrar el efecto Hall de giro inverso en una gama de semiconductores orgánicos con una sensibilidad sin precedentes", aunque un estudio realizado en 2013 por otros investigadores lo demostró con menos sensibilidad en uno de esos materiales, dice Christoph Boehme, autor principaldel estudio publicado el 18 de abril en la revista Materiales de la naturaleza .
"El efecto Hall de giro inverso es un fenómeno notable que convierte la llamada corriente de giro en una corriente eléctrica. El efecto es tan extraño que nadie sabe realmente para qué se utilizará, pero muchas aplicaciones técnicas son concebibles, incluso muynuevos y extraños esquemas de conversión de energía ", dice Boehme, profesor de física.
Su colega autor principal, el distinguido profesor Z. Valy Vardeny, dice que al usar pulsos de microondas, el efecto Hall de giro inverso y semiconductores orgánicos para convertir la corriente de giro en electricidad, esta nueva fuerza electromotriz genera corriente eléctrica de una manera diferente a la existentefuentes.
Las plantas de carbón, gas, hidroeléctricas, eólicas y nucleares usan dinamos para convertir la fuerza mecánica en cambios de campo magnético y luego electricidad. Las reacciones químicas potencian las baterías modernas y las células solares convierten la luz en corriente eléctrica. Convertir la corriente de espín en corriente eléctrica es otramétodo.
Los científicos ya están desarrollando dichos dispositivos, como un generador termoeléctrico, utilizando semiconductores inorgánicos tradicionales. Vardeny dice que los semiconductores orgánicos son prometedores porque son baratos, fáciles de procesar y respetuosos con el medio ambiente. Señala que tanto las células solares orgánicas como los LED orgánicos luz-diodo emisor las pantallas de TV se desarrollaron a pesar de que las células solares de silicio y los LED no orgánicos se usaron ampliamente.
Vardeny y Boehme enfatizaron que la eficiencia con la que los semiconductores orgánicos convierten la corriente de espín en corriente eléctrica sigue siendo desconocida, por lo que es demasiado pronto para predecir hasta qué punto podría usarse algún día para nuevas técnicas de conversión de energía en baterías, células solares,computadoras, teléfonos y otros productos electrónicos de consumo.
"Quiero invocar un cierto grado de precaución", dice Boehme. "Este es un efecto de conversión de poder que es nuevo y en su mayoría no estudiado".
Boehme señala que los experimentos en el nuevo estudio convirtieron más corriente de giro en corriente eléctrica que en el estudio de 2013, pero Vardeny advirtió que el efecto todavía "tendría que ampliarse muchas veces para producir voltajes equivalentes a las baterías domésticas".
El nuevo estudio fue financiado por la National Science Foundation y el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la Universidad de Utah-NSF. Los coautores del estudio con Vardeny y Boehme fueron estos físicos de la Universidad de Utah: profesores asistentes de investigación Dali Sun y Hans Malissa,los investigadores posdoctorales Kipp van Schooten y Chuang Zhang, y los estudiantes graduados Marzieh Kavand y Matthew Groesbeck.
De corriente de giro a corriente eléctrica
Al igual que los núcleos atómicos y los electrones que los orbitan tienen cargas eléctricas, también tienen otra propiedad inherente: el giro, que los hace comportarse como pequeños imanes de barra que pueden apuntar hacia el norte o el sur.
Los dispositivos electrónicos almacenan y transmiten información utilizando el flujo de electricidad en forma de electrones, que son partículas subatómicas cargadas negativamente. Los ceros y los del código binario de la computadora están representados por la ausencia o presencia de electrones dentro del silicio u otros semiconductores no orgánicos.
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El efecto Hall de giro inverso se demostró por primera vez en metales en 2008, y luego en semiconductores no orgánicos, dice Vardeny. En 2013, los investigadores en otros lugares mostraron que ocurrió en un semiconductor orgánico llamado PEDOT: PSS cuando estuvo expuesto a microondas continuas que eran relativamentedébil para evitar freír el semiconductor.
Pero Boehme y Vardeny dicen que la corriente eléctrica generada en ese estudio por el efecto Hall de giro inverso fue pequeña - nanovoltajes - y fue oscurecida por el calentamiento por microondas de la muestra y otros efectos no deseados.
"Pensamos, construyamos diferentes dispositivos para que estos efectos espurios fueran eliminados o muy pequeños en comparación con el efecto que queríamos observar", dice Boehme.
En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron pulsos cortos de microondas más potentes para utilizar el efecto Hall de giro inverso y convertir una corriente de giro en corriente eléctrica en siete semiconductores orgánicos, principalmente a temperatura ambiente.
Un semiconductor orgánico fue PEDOT: PSS, el mismo material en el estudio de 2013. Los otros fueron tres polímeros orgánicos ricos en platino, dos llamados polímeros conjugados con pi y la molécula esférica de carbono 60 llamada buckminsterfullereno porque pareceun par de cúpulas geodésicas popularizadas por el fallecido arquitecto Buckminster Fuller.
El carbono-60 demostró sorprendentemente ser el semiconductor más eficiente para convertir ondas de espín en corriente eléctrica, dice Vardeny.
Cómo se realizaron los experimentos
Los físicos de Utah toman múltiples pasos para convertir la corriente de rotación en corriente eléctrica. Comienzan con un pequeño portaobjetos de vidrio, de aproximadamente 2.1 pulgadas de largo y una sexta pulgada de ancho. Dos contactos eléctricos están unidos a un extremo del portaobjetos de vidrio.Los alambres delgados y planos de cobre corren a lo largo de la corredera, conectando los contactos en un extremo con un "emparedado" en el otro extremo que incluye el vidrio en la parte inferior, el semiconductor de polímero orgánico que se está probando en el medio y un ferromagnet de níquel-hierroencima.
Este dispositivo luego se inserta longitudinalmente en un tubo de metal de aproximadamente 1 pulgada de diámetro y 3,5 pulgadas de largo. Un material no conductor rodea el dispositivo dentro de este tubo, que luego se inserta en un imán del tamaño de una mesa que genera un campo magnético.
"Aplicamos un campo magnético y lo dejamos más o menos constante", dice Boehme. "Luego conectamos los dos contactos a un medidor de voltaje y comenzamos a medir el voltaje que sale del dispositivo en función del tiempo".
Con solo el campo magnético, no se detectó corriente eléctrica. Pero luego los físicos de Utah bombardearon el dispositivo semiconductor orgánico con pulsos de microondas, tan potentes como los de un horno de microondas doméstico pero en pulsos que van desde solo 100 a 5,000 nanosegundos este último igual a una 200,000 de segundo.
"De repente vimos un voltaje durante ese pulso", dice Boehme.
Vardeny dice que los pulsos de microondas generan ondas de espín en el imán del dispositivo, luego las ondas se convierten en corriente de espín en el semiconductor orgánico y luego en una corriente eléctrica detectada como voltaje.
En comparación con el estudio de 2013, el uso de pulsos de microondas en los experimentos de Utah significaba que "nuestra potencia es mucho más alta pero el calentamiento es mucho menor y el efecto Hall de giro inverso es aproximadamente 100 veces más fuerte", dice Boehme.
En efecto, las microondas pulsadas proporcionan una forma de mejorar el efecto Hall de giro inverso para que pueda usarse para convertir la potencia, agrega Vardeny.
El nuevo estudio también mostró que la conversión de corriente de espín a corriente eléctrica funciona en semiconductores orgánicos a través del "acoplamiento de órbita de espín", el mismo proceso que se encuentra en conductores inorgánicos y semiconductores, a pesar de que el fenómeno en materiales inorgánicos y orgánicos funcionade maneras fundamentalmente diferentes, dice Boehme.
Este acoplamiento es mucho más débil en los semiconductores orgánicos que en los no orgánicos, pero "el gran logro que hicimos fue encontrar un método experimental lo suficientemente sensible como para medir de manera confiable estos efectos muy débiles en los semiconductores orgánicos", dice Boehme.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Utah . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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