Ovi aukeaa hypertehokkaille orbitronisille laitteille

Orbitroniikka hyödyntää elektronin kulkua ytimen ympäri, ominaisuutta, joka tunnetaan rataimpulssimomenttina, tallentaakseen ja käsitelläkseen suurempia määriä informaatiota paljon tehokkaammin.

Tyypillisesti elektronin kiertoradan hallitseminen vaatii magneettisten materiaalien, kuten raudan, käyttöä, jotka ovat raskaita, kalliita ja hankalia käytännön orbitroniikkalaitteille.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat kehittivät tähän mennessä virtaviivaisimman järjestelmän elektronien rataimpulssimomentin luomiseksi. Heidän salaisuutensa – löytö yhdessä modernin fysiikan kuumimmista tutkimusaiheista, kiraalisina fononeina tunnetussa ilmiössä.

Tutkimus osoitti ensimmäistä kertaa koskaan, että kiraaliset fononit voivat siirtää elektronien rataimpulssimomenttia suoraan elektroneihin ei-magneettisessa materiaalissa.

”Orbitaalivirtojen syntyminen on perinteisesti edellyttänyt varausvirran injektoimista tiettyihin siirtymämetalleihin, ja monet näistä alkuaineista luokitellaan nyt kriittisiksi materiaaleiksi”, sanoo Dali Sun, fyysikko North Carolina State Universitystä ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. ”On muitakin tapoja tuottaa rataimpulssimomenttia, mutta tämä menetelmä mahdollistaa halvempien ja runsaampien materiaalien käytön.”

”Emme tarvitse magneettia. Emme tarvitse paristoa. Emme tarvitse jännitettä. Tarvitsemme vain kiraalisia fononeja sisältävän materiaalin”, lisäsi Valy Vardeny, Utahin yliopiston professori ja tutkimuksen toinen kirjoittaja. ”Ennen se oli mahdotonta kuvitella.”

Kilpailu kiraalisten fononien murtamiseksi

Symmetrisissä materiaaleissa, kuten metalleissa, atomit heiluvat sivulta toiselle. Kiraalisissa materiaaleissa kierteinen hilarakenne pakottaa atomit luonnollisesti heilumaan ruuvimaisessa kuviossa, jossa ne liikkuvat joko oikealle tai vasemmalle. Kiraalisilla materiaaleilla on sitten myös kiraalisia fononeja eli kollektiivisia värähtelyjä.

Se, että atomit värähtelevät ympyränmuotoista, kiraalista rataa pitkin, tarkoittaa, että atomeilla itsellään on luonnostaan impulssimomentti. Tutkimus on ensimmäinen, joka osoittaa, että kiraalisten fononien impulssimomentti siirtyi suoraan elektronien rataimpulssimomenttiin.

”Vaikka tutkittu kvartsi-materiaali itsessään ei ole magneettista, kiraalisten fononien olemassaolo antaa meille näitä magneettisia vipuja, joita voimme vetää”, sanoo tohtorikoulutettava Rikard Bodin.

Kirjoittajat osoittivat, että kriittinen massa järjestyneitä kiraalisia fononeja riitti siirtämään vaikutuksen elektroneihin – ilman ulkoista magneettia. Tämä loi elektronien pyörimismäärän virtauksen, jonka kirjoittajat kutsuivat "orbitaaliseksi Seebeck-ilmiöksi".

Orbitaalisen Seebeck-ilmiön mittaamiseksi suoraan tutkijat asettivat metallikerroksia (volframia ja titaania) α-kvartsin päälle, mikä muutti piilotetun "orbitaalisen virtauksen" mitattavaksi sähköiseksi signaaliksi.

Menetelmä toimii myös muiden kiraalisten materiaalien, kuten telluurin, seleenin ja hybridi-orgaanisten/epäorgaanisten perovskiitien, kanssa. Se on tehokkaampi, koska se käyttää vähemmän materiaalia ja säilyttää samalla rataimpulssimomentin paljon pidempään kuin muiden järjestelmien on osoitettu tekevän.

Aiheesta aiemmin:

Elektronin unohdettu ominaisuus

Kohti orbitaalivirtaan perustuvaa elektroniikkaa

Orbitroniikka: uusi energiatehokas tekniikka