Vědci našli účinnou alternativu k tradiční elektronice

Foto: Paul Scherrer Institute / Monika Bletry / Tiskový zdroj EurekAlert

Monopoly orbitálního momentu hybnosti nabízejí velké výhody pro vznikající oblast orbitroniky. Potenciálně účinnou energetickou alternativu k tradiční elektronice.

Dlouho byly předmětem velkého teoretického zájmu. Nyní byla jejich existence prokázaná kombinací robustní teorie a experimentů ve švýcarském institutu světelného zdroje Paula Scherrera.

Zatímco elektronika využívá k přenosu informací náboj elektronu, technologie budoucnosti s menším dopadem na životní prostředí by mohla ke zpracování informací využívat jinou vlastnost elektronů. Až donedávna byla hlavním uchazečem o jiný typ „troniky“ spintronika. Zde je vlastností používanou k přenosu informace spin elektronu.

Výzkumníci také zkoumají možnost využití orbitálního momentu hybnosti (OAM) elektronů obíhajících kolem jejich atomového jádra: vznikající pole známé jako orbitronika. Toto pole je velkým příslibem pro paměťová zařízení. Hlavně proto, že velká magnetizace by mohla být potenciálně generovaná s relativně malými nabíjecími proudy, což vede k energeticky účinným zařízením. Otázkou za milion dolarů je nyní identifikace správných materiálů pro generování toků OAM, což je nezbytný předpoklad pro orbitroniku.

Nyní mezinárodní výzkumný tým vedený vědci z institutu PSI Paula Scherrera a institutu Maxe Plancka v Halleu a Drážďanech v Německu ukázal, že chirální topologické polokovy, nová třída materiálů objevená na PSI v roce 2019, má vlastnosti, díky nimž jsou vysoce praktickou volbou pro generování proudů OAM.

Chirální topologické polokovy: přímé řešení pro orbitroniku

Při hledání vhodných materiálů pro orbitroniku již byly učiněné kroky vpřed s použitím konvenčních materiálů, jako je titan. Tyto materiály mají helikální atomovou strukturu, která dává přirozenou „ručnost“ jako dvojitá šroubovice DNA a mohla by jim přirozeně poskytnout vzory nebo textury OAM, které umožňují její tok.

Atraktivní, ale nepolapitelná vyhlídka orbitálních monopólů momentu hybnosti

Existuje jedna konkrétní textura OAM, předpokládaná u chirálních topologických polokovů, která výzkumníky uchvátila: monopoly OAM. U těchto monopólů OAM vyzařuje ze středu ven jako hroty vystrašeného ježka stočeného do klubíčka.

Proč jsou tyto monopoly tak zajímavé? Je to tím, že OAM je jednotný ve všech směrech. To znamená, že je izotropní. „Toto je velmi užitečná vlastnost, protože to znamená, že toky OAM mohou být generované v libovolném směru,“ říká Schüler.

Navzdory přitažlivosti monopolů OAM pro orbitroniku zůstaly až do této nejnovější studie teoretickým snem.

Ježci se schovávají mezi teorií a experimentem

Na jejich experimentálním pozorování spočívá naděje v technice známé jako Circular Dichroism in Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (Kruhový dichroismus v úhlově rozlišené fotoemisní spektroskopii), neboli CD-ARPES, využívající kruhově polarizované rentgenové záření ze synchrotronového světelného zdroje. Přesto mezera mezi teorií a experimentem v minulosti bránila výzkumníkům v interpretaci dat. „Výzkumníci možná měli data, ale důkazy o monopolech OAM v nich byly pohřbené,“ říká Schüler.

V ARPES světlo svítí na materiál a vyvrhuje elektrony. Úhly a energie těchto vyvržených elektronů odhalují informace o elektronové struktuře materiálu. U CD-ARPES je dopadající světlo kruhově polarizované.

„Přirozeným předpokladem je, že pokud používáte kruhově polarizované světlo, měříte něco, co je přímo úměrné OAM,“ vysvětluje Schüler. „Problém je, jak ukazujeme v naší studii, že se to ukazuje jako poněkud naivní předpoklad. Ve skutečnosti je to mnohem složitější.“

Dveře se otevírají pro zkoumání textur orbitálního momentu hybnosti v nových materiálech

Nyní, když se teorie a experiment konečně spojily, je širší výzkumná komunita vybavena prostředky pro zkoumání textur OAM napříč různými materiály a optimalizaci jejich aplikací pro orbitroniku.

Zdroj: EurekAlert, Objev byl publikován v časopise Nature Physics s otevřeným přístupem.