Kohti kolmatta ulottuvuutta

SLAC:n kokeissa tutkijat iskevät kvanttimateriaalia laservalon pulsseilla nähdäkseen kuinka tämä vaikuttaisi siksak-kuvioihin sen atomihilassa, jonka muodostavat elektronien spinsuunnat (mustat nuolet) ja elektronien kiertoratojen suuntaukset (punaiset pallomuodot). Tutkijat yllätti havainto, että pulssit hajottivat spin kuviot jättäen kiertoradat koskemattomiksi (alempi kuvio). Tämä herättää mahdollisuuden, että spinejä ja kiertoratoja voidaan hallita itsenäisesti huomattavasti nopeampien elektronisten laitteiden valmistamiseksi.

SLAC National Accelerator Laboratoryn tutkijat ovat katkaisseet yhteyden kvanttimateriaalin spinien ja kiertoratatilojen välillä.

Temppu avaa polun kohti uutta logiikka- ja muistilaitteiden sukupolvea, joka voi olla 10000 kertaa nopeampaa kuin nykyiset.

Suunnitellessaan elektronisia laitteita tutkijat etsivät tapoja manipuloida ja hallita elektronien kolmea perusominaisuutta: varaus, spinin tila sekä atomien ytimien ympärillä olevat sekavien pilvien muodot, jotka muodostuvat orbitaaleista.

Tähän saakka elektronien spinien ja kiertoratojen on ajateltu kulkevan käsi kädessä nykyisissä tietotekniikan materiaaleissa; et voi nopeasti muuttaa yhtä muuttamatta toista. Mutta SLAC:n kiihdytinlaboratoriossa tehty tutkimus osoittaa, että laservalopulssi voi dramaattisesti muuttaa yhden tärkeän materiaaliluokan spinien tilaa jättäen sen kiertoratatilat koskemattomaksi.

Tulokset ehdottavat uutta tietä tulevien sukupolvien logiikka- ja muistilaitteiden valmistamiseksi, jotka perustuisivat ”orbitroniikkaan”, kertoi Lingjia Shen, yksi tutkimuksen johtavista tekijöistä.

"Se, mitä näemme tässä järjestelmässä, on täysin vastakohta siihen, mitä ihmiset ovat nähneet aikaisemmin", Shen kertoo. "Se herättää mahdollisuuden, että voisimme hallita materiaalin spinejä ja kiertoratoja erikseen ja käyttää kiertoratomuotojen variaatioita 0- ja 1-bitteinä. "

Ryhmän tutkittavana materiaalina oli mangaanioksidipohjainen kvanttimateriaali, joka tunnetaan nimellä NSMO. Sitä pidetään lupaavana ehdokkaana tulevien tietokoneiden ja muistilaitteiden valmistamiseksi skyrmionien pohjalta, jotka spinnaavien elektronien magneettikentät luovat.

Laaksotroniikka on jo vanhempi tutkimussuunta, jota tähän asti on pidetty kolmantena vapausasteena tulevaisuuden elektroniikkaa kehitettäessä.

Kalifornian yliopiston Riverside yliopiston tutkijoiden vetämä kansainvälinen työryhmä on havainnut valonemissiota uudentyyppisestä siirtymästä elektronisten laaksojen välillä. Tutkimus tarjoaa uuden tavan lukea laaksoinformaatiota eri laaksojen välillä ja tuottanee uudenlaisen valleytronics -tekniikan.

Yksikerroksinen volframidiselenidi (WSe2) on lupaava laaksotroniikan materiaali, koska sillä on kaksi laaksoa, joilla on vastakkaiset dynaamiset ominaisuudet kaistarakenteessaan. Lisäksi tämä materiaali voi olla vahvasti vuorovaikutuksessa valon kanssa, mitä on lupaavana ominaisuus optisesti hallittavissa laaksotroniikan sovelluksissa.

Jos elektronin ja aukon muodostama eksitoni on samassa laaksossa olevien elektronin ja aukon kanssa sitä kutsutaan laakson sisäiseksi eksitoniksi ja se voi emittoida valoa.

Myös vastakkaisissa laaksoissa olevat elektroni ja aukko voivat muodostaa eksitonin, ja se on uudenlainen osa laaksotroniikkaa. Elektronin ja vastakkaisessa laaksossa oleva aukko eivät voi rekombinoitua suoraan valon emittoimiseksi. Täten näitä eksitoneja kutsutaan ”tummiksi” ja ne ovat kätkeytyneet optiseen spektriin.

UCR:n johtama tutkimusryhmä on nyt havainnut valon emissiota tummistakin eksitoneista WSe2:ssa. Näiden tuottama valoemissio on ympyräpolarisoitu.

Tutkijoiden mukaan pyörivä valopolarisaatio antaa mahdollisuuden tunnistaa eksitonilaakson kokoonpanon. Tämä optisesti luettavissa oleva laaksokokoonpano on ratkaisevan tärkeä, jotta laaksojen väliset eksitonit olisivat hyödyllisiä laaksotroniikkaan liittyville sovelluksille.

Eksitonien lisäksi WSe2 isännöi trioneja, jotka koostuvat kahdesta elektronista ja yhdestä aukosta tai kahdesta aukosta ja yhdestä elektronista. Trioneilla on myös selkeästi määritelty laaksokokoonpano laaksotronisiin sovelluksiin. Verrattuna varausn eutraaleihin eksitoneihin, trionien liikettä voidaan ohjata sähkökentällä niiden sähköisen nettovarauksen vuoksi.

Tutkijoiden mukaan tulokset tarjoavat kattavamman kuvan trionidynamiikasta yksikerroksisessa WSe2:ssa.

Laaksotroniikasta aiemmin: " Valleytroniikan" eteneminen mahdollista