Elektronin unohdettu ominaisuus

Elektronien rataimpulssimäärää on pitkään pidetty vähäpätöisenä fysikaalisena ilmiönä, jota useimmissa kiteissä ei juurikaan havaita ja jota usein unohdetaan.

Jülichin tutkimuskeskuksen tutkijat ovat nyt havainneet, että tietyissä materiaaleissa se ei ainoastaan säily, vaan sitä voidaan jopa aktiivisesti ohjailla.

Tämä johtuu kiderakenteen ominaisuudesta eli kiraalisuudesta. Löydöllä on potentiaalia johtaa uudenlaiseen elektronisten komponenttien luokkaan, jotka kykenevät siirtämään informaatiota poikkeuksellisen kestävästi ja energiatehokkaasti.

Elektroniikasta spintroniikkaan ja nyt orbitroniikkaan: Klassisessa elektroniikassa elektronin varaus on ensisijaisesti se, mikä ratkaisee. Nykyaikaisissa lähestymistavoissa, kuten kvanttilaskennassa ja spintroniikassa, huomio on siirtynyt elektronin spiniin. Nyt toinen ominaisuus on noussut valokeilaan: rataimpulssimäärä (OAM). Yksinkertaisesti sanottuna OAM kuvaa, kuinka elektroni liikkuu atomin sisällä – ei klassisella kiertoradalla, vaan kvanttimekaanisena jakaumana orbitaalin sisällä.

”Spiniä pidettiin vuosikymmenten ajan avainparametrina uusille kvanttipohjaisille teknologioille. Mutta myös rataimpulssimomentilla on suuri potentiaali informaation kantajana – ja se on huomattavasti vakaampi”, selittää tohtori Christian Tusche

Kiertoradan pyörimismäärä on yksi elektronin peruskvanttiluvuista, samoin kuin spin, joka kuvaa elektronin näennäistä pyörimistä. Kiteissä OAM on kuitenkin harvoin havaittavissa. Nyt tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa ratkaisemaan kiraalisen puolijohteen rataimpulssimomentin – sekä kiteen sisällä että sen pinnalla..

He havaitsivat, että kiteen kätisyys – vasen- tai oikeakätinen – vaikuttaa ennustettavasti elektronien rataimpulssimomenttiin.

”Tuloksemme osoittavat, että kiteen rakenne vaikuttaa suoraan elektronien pyörimismäärään – vaikutuksen, jonka pystyimme mittaamaan suoraan. Tämä avaa aivan uuden oven materiaalitutkimukselle ja informaationkäsittelylle”, korostaa Jülichin kokeellinen fyysikko, tohtori Ying-Jiun Chen.

Tohtori Dongwook Go, lisää: ”Löytö on erityisen tärkeä orbitroniikan kehittyvälle alalle, joka käyttää rataimpulssimomenttia informaation kantajana seuraavan sukupolven kvanttiteknologiassa.”

Saavutus avaa uusia näkökulmia sovelluksille: Tulevaisuudessa informaatiota voitaisiin siirtää ja tallentaa paitsi elektronien varauksen tai spinin kautta myös niiden rataimpulssimomentin suunnan ja suuntauksen kautta. Tämä niin kutsuttu orbitroniikka – rataominaisuuksiin perustuva elektroniikka – voisi siten tarjota perustan uudenlaiselle elektronisten laitteiden luokalle.

Professori Claus Michael Schneider näkee myös suuria mahdollisuuksia:

”Esimerkiksi rataimpulssimomentin käyttö informaation kantajana vaikuttaa mahdolliselta. Tai ympyräpolarisoitua valoa voitaisiin käyttää kiteen kiraalisuuteen selektiivisesti vaikuttamaan, mikä mahdollistaisi valolla ohjattavan, ei-mekaanisen kytkimen transistorin vaihtoehtona.

Lisäksi rataimpulssimomentin ja spinin välinen kytkentä voisi mahdollistaa integroinnin olemassa oleviin spintroniikan käsitteisiin – esimerkiksi hybridikvanttilaitteisiin”, sanoo Schneider.

Aiheesta aiemmin:

Kohti orbitaalivirtaan perustuvaa elektroniikkaa

Orbitroniikka: uusi energiatehokas tekniikka