W nowych badaniach zidentyfikowano orbitalne monopole momentu pędu w materiałach chiralnych, co stanowi krok naprzód w opracowywaniu energooszczędnych urządzeń elektronicznych. Może to doprowadzić do znacznych postępów w orbitronice, nowym rodzaju elektroniki opartej na orbitach elektronów, a nie na spinach.
Naukowcy z Instytutu Fizyki Mikrostruktur im. Maxa Plancka wraz z międzynarodowymi współpracownikami po raz pierwszy zaobserwowali monopole orbitalnego momentu pędu (OAM) w materiałach chiralnych. Odkrycie to, opublikowane w Fizyka Przyrodymoże stanowić znaczący przełom w dziedzinie urządzeń elektronicznych nowej generacji, szczególnie w powstającej dziedzinie elektroniki chiralnej.
Rewolucyjny transfer informacji: powstanie orbitroniki
W tradycyjnej elektronice informacja jest przesyłana za pomocą ładunku elektronów. Jednak przyszłe technologie mogą zacząć wykorzystywać inną właściwość elektronów: ich wewnętrzny moment pędu. Historycznie rzecz biorąc, większość uwagi skupiała się na spinie elektronów, który wytwarza moment magnetyczny, i był postrzegany jako główny pretendent do urządzeń nowej generacji. Teraz badacze zwracają uwagę na orbitronikę – dziedzinę wykorzystującą moment pędu wytwarzany przez elektrony krążące wokół jądra. Orbitronics ma ogromny potencjał w zakresie energooszczędnych urządzeń pamięci, ponieważ może wytwarzać silne namagnesowanie przy minimalnych prądach ładowania.
Krytycznym wyzwaniem w orbitronice jest identyfikacja odpowiednich materiałów do generowania dużych polaryzacji orbitalnych. W ostatnich postępach poczyniono postępy w zastosowaniu konwencjonalnych materiałów, takich jak tytan. Jednakże materiały chiralne, które często mają unikalną helikalną strukturę atomową podobną do DNA podwójna helisa, stanowią ekscytującą alternatywę. Materiały te naturalnie posiadają tekstury OAM jako nieodłączną właściwość, co czyni je szczególnie atrakcyjnymi dla orbitroniki.
Dr Niels Schröter, niezależny lider grupy w Instytucie Fizyki Mikrostruktur im. Maxa Plancka i główny autor badania, wyjaśnia, że „przewiduje się, że materiały chiralne będą znaczącymi i możliwymi do kontrolowania źródłami elektronów spolaryzowanych orbitalnie, co mogłoby przyczynić się do opracowania bardziej energooszczędne urządzenia pamięciowe i komputerowe.”
Odkrycie monopoli OAM: przełamanie symetrii
Inną niezwykłą i korzystną cechą takich materiałów jest ich potencjał do utrzymywania monopoli OAM w strukturach pasm elektronicznych. W tym scenariuszu OAM zachowuje się w sposób sprzeczny z zasadami symetrii obserwowanymi w konwencjonalnych systemach. Na przykład w magnesach spodziewamy się bieguna północnego i południowego, a nie izolowanego monopolu.
Na tych monopolach OAM promieniuje na zewnątrz jak kolce przestraszonego jeża zwiniętego w kłębek. I to właśnie czyni te materiały tak atrakcyjnymi: OAM jest jednolity we wszystkich kierunkach – tj. jest izotropowy.
„To sprawia, że te materiały są wyjątkowe, ponieważ kierunek polaryzacji orbitalnego momentu pędu zależy wyłącznie od kierunku wstrzykiwanego prądu ładowania, a nie od orientacji kryształu” – mówi dr Jonas Krieger, wcześniej postdoc w Max Planck Instytutu Fizyki Mikrostruktur, który kierował zespołem eksperymentalnym, który dokonał odkrycia. Dr Krieger jest obecnie pracownikiem naukowym w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii, gdzie nadal blisko współpracuje ze swoimi kolegami z Niemiec.
Pokonywanie wyzwań eksperymentalnych
Monopole OAM w chiralnych kryształach od dawna stanowią ekscytującą perspektywę dla orbitroniki, ale do tej pory istniały jedynie w teorii. Eksperymentalna obserwacja ich była poważnym wyzwaniem. Kluczem do odkrycia tej tajemnicy jest technika zwana dichroizmem kołowym w spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową, w skrócie CD-ARPES, która wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie ze źródła światła synchrotronowego. Pomimo jej potencjału, dotychczasowe próby wykrycia monopoli OAM tą metodą zakończyły się niepowodzeniem.
„Pomiędzy teorią a eksperymentem istniał rozdźwięk. Być może badacze zebrali właściwe dane, ale kryły się w nich dowody na istnienie monopoli OAM” – wyjaśnia dr Michael Schüler z Instytutu Paula Scherrera, który nadzorował rozwój modeli teoretycznych, które posłużyły do interpretacji danych.
Trudność wynikała z interpretacji złożonych danych generowanych przez CD-ARPES. W tej technice światło pada na materiał, wyrzucając elektrony. Kąty i energie wyrzucanych elektronów zapewniają wgląd w strukturę elektronową materiału. W przypadku stosowania światła spolaryzowanego kołowo początkowo założono, że pomiary będą bezpośrednio odzwierciedlać OAM.
„To założenie okazało się zbyt uproszczone. Nasze badanie wykazało, że rzeczywistość jest znacznie bardziej skomplikowana” – mówi dr Schüler.
Spostrzeżenia empiryczne i postępy teoretyczne
Zdeterminowani, aby rozwikłać złożoną sieć danych CD-ARPES i ujawnić istnienie monopoli OAM, Schröter, Krieger, Schüler i współpracownicy zbadali dwa typy kryształów chiralnych: kryształy wykonane z palladu i galu lub platyny i galu, które zostały zsyntetyzowane w Instytut Fizyki Chemicznej Maxa Plancka w Dreźnie w zespole prof. Claudii Felser.
Zespół podszedł do zagadki z otwartym umysłem, aby podważyć każde założenie. Następnie wykonali niezwykły dodatkowy krok, przeprowadzając eksperymenty w różnych miejscach foton energie. „Na początku te dane nie miały sensu. Wydawało się, że sygnał wszędzie się zmienia” – mówi Schüler.
Uważnie porównując dane eksperymentalne z modelami teoretycznymi, naukowcy odkryli, jak różne wkłady komplikują obliczenia OAM na podstawie danych CD-ARPES. W ten sposób pokazali, że sygnał CD-ARPES nie był wprost proporcjonalny do OAM, jak wcześniej sądzono, ale obracał się wokół monopoli w miarę zmiany energii fotonów. Ostatecznie zbudowany model teoretyczny pasował do danych CD-ARPES niezależnie od badanej orientacji kryształów i energii fotonów.
W ten sposób udowodnili obecność monopoli OAM. „Główną zaletą była solidność” – wyjaśnia Schröter. „Niektóre funkcje pozostały bez względu na warunki, których użyliśmy. Jedynym sposobem na osiągnięcie tego są monopole OAM, gdzie OAM jest izotropowy.
Wyposażeni w umiejętność dokładnej wizualizacji monopoli OAM, Schröter i współpracownicy wykazali następnie, że biegunowość monopolu – niezależnie od tego, czy kolce OAM są skierowane do wewnątrz, czy na zewnątrz – można odwrócić za pomocą kryształu o chiralności lustrzanego odbicia. „Dlatego odkryliśmy zależność struktura-właściwość, która pozwala nam kontrolować odpowiedź orbity poprzez strukturalną chiralność kryształu” – mówi Schröter.
Implikacje i perspektywy na przyszłość w elektronice chiralnej
To odkrycie nie tylko stanowi kamień milowy w orbitronice, ale także jest zgodne z celami nowo zaproponowanego Centrum Elektroniki Chiralnej, wspólnej inicjatywy Instytutu Fizyki Mikrostruktur im Maxa Plancka i uniwersytetów w Halle, Berlinie i Regensburgu. Celem Centrum jest zaspokojenie rosnącego zapotrzebowania na bardziej wydajne technologie przechowywania i przetwarzania danych. Badając unikalne właściwości chiralności w zastosowaniach elektronicznych, Centrum opracuje nowe urządzenia o zaawansowanych funkcjonalnościach.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Orbitronics staje się energooszczędną technologią jutra.
Odniesienie: „Kontrolowane orbitalne monopole momentu pędu w chiralnych topologicznych półmetalach” autorstwa Yun Yen, Jonas A. Krieger, Mengyu Yao, Iñigo Robredo, Kaustuv Manna, Qun Yang, Emily C. McFarlane, Chandra Shekhar, Horst Borrmann, Samuel Stolz, Roland Widmer , Oliver Gröning, Vladimir N. Strocov, Stuart SP Parkin, Claudia Felser, Maia G. Vergniory, Michael Schüler i Niels BM Schröter, 30 września 2024 r., Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038/s41567-024-02655-1
