Orbitroniikka: uusi energiatehokas tekniikka

Orbitaaliset kulmamomenttimonopolit ovat olleet vahvan teoreettisen kiinnostuksen kohteena, koska ne tarjoavat merkittäviä käytännön etuja nousevalle orbitroniikan alalle, joka on mahdollinen energiatehokas vaihtoehto perinteiselle elektroniikalle.

Viime aikoihin asti tärkein haastaja toisenlaisesta "troniikasta" on ollut spintroniikka. Siinä informaation siirtämiseen käytetty ominaisuus on elektronin spin.

Sen ohella tutkijat selvittävät myös mahdollisuutta käyttää atomiytimiä kiertävien elektronien kiertoradan kulmamomenttia (OAM) uutena mahdollisuutena. Äskettäin Ohion yliopiston tutkijat selvittivät, että orbitaalivirrat voivat virrata tehokkaasti erilaisten materiaalien läpi.

Orbitroniikka on varsin uusi tutkimuskenttä mutta sillä on suuri lupaus muistipiireille, koska suhteellisen pienillä varausvirroilla voi tuottaa vahvaa magnetisoitumista.

Nyt kansainvälinen tutkimusryhmä, jota johtavat tutkijat Paul Scherrer Institute PSI:stä ja Max Planck -instituutista ovat osoittaneet, että kiraaliset topologiset puolimetallit ovat käytännöllinen valinta OAM-virtojen tuottamiseen.

Orbitroniikkaan sopivien materiaalien etsimisessä on jo otettu ensiaskeleita käyttämällä perinteisiä materiaaleja, kuten titaania.

Viisi vuotta sitten löydetyistä kiraalisista topologisista puolimetalleista on kuitenkin tullut kiinnostava haastaja alalle. Näillä materiaaleilla on kierteinen atomirakenne, joka antaa luonnollisen "kätisyyden", joka voisi luontevasti antaa niille OEM-kuvioita tai tekstuureja, jotka mahdollistavat OEM:n virtauksen.

"Tämä tarjoaa merkittävän edun muihin materiaaleihin nähden, koska ei tarvitse käyttää ulkoisia ärsykkeitä tuottamaan OAM-kuvioita – ne ovat materiaalin luontainen ominaisuus", selittää Michael Schüler, joka johti äskettäistä tutkimusta. "Tämä voisi helpottaa vakaiden ja tehokkaiden OAM-virtojen luomista ilman erityisolosuhteita."

On olemassa yksi tietty OAM-tekstuuri, jonka oletetaan olevan kiraalisissa topologisissa puolimetalleissa ja joka on kiehtonut tutkijoita: OAM-monopolit. Näissä monopoleissa OAM säteilee ulospäin keskipisteestä kuin pelästyneen siilin piikit, jotka ovat käpristyneet palloksi.

Miksi nämä monopolit ovat niin houkuttelevia, johtuu siitä, että OAM on tasainen kaikkiin suuntiin: eli se on isotrooppinen. "Tämä on erittäin hyödyllinen ominaisuus, koska se tarkoittaa, että OAM-virtoja voidaan luoda mihin tahansa suuntaan", Schüler sanoo.

Huolimatta OAM-monopolien houkutuksesta orbitroniikalle, tähän viimeiseen tutkimukseen asti ne ovat pysyneet teoreettisena unelmana.

Nyt, kun teoria ja kokeet vihdoin ovat yhdistyneet, laajemmalla tutkimusyhteisöllä on keinot tutkia OAM-kuvioita eri materiaaleista ja optimoida niiden sovelluksia orbitroniikassa.

Aiheesta aiemmin:

Kohti kolmatta ulottuvuutta

Kierteistä twistroniikkaa