Et hav af roterende elektroner:Opdagelse kan afføde en bølge af nye elektroniske enheder

Forestil dig to fiskestimer, der svømmer i cirkler med uret og mod uret. Det er nok til at få hovedet til at snurre, og nu har forskere ved Rutgers University-New Brunswick og University of Florida opdaget den "chirale spin-tilstand" - et hav af elektroner, der spinder i modsatrettede cirkler.

"Vi opdagede en ny kollektiv spin-tilstand, der kan bruges til at transportere energi eller information med meget lidt energispredning, og det kan være en platform til at bygge nye elektroniske enheder såsom computere og processorer, " sagde Girsh Blumberg, seniorforfatter af undersøgelsen og professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Rutgers' School of Arts and Sciences.

Kollektive chirale spin-tilstande udbreder bølger af elektronspin, der ikke bærer en ladningsstrøm, men som modificerer elektronernes "spinningsretninger". "Chiral" refererer til enheder, som din højre og venstre hånd, der er matchende, men asymmetriske og ikke kan lægges oven på deres spejlbillede.

Studiet, ledet af Hsiang-Hsi (Sean) Kung, en kandidatstuderende i Blumbergs Rutgers Laser Spectroscopy Lab, blev udgivet i Fysisk gennemgangsbreve . Kung brugte en specialfremstillet, ultra-følsomt spektrometer til at studere en prototypisk 3D topologisk isolator. En mikroskopisk teoretisk model, der forudsiger energi- og temperaturudviklingen af ​​den chirale spin-tilstand, blev udviklet af Saurabh Maiti og professor Dmitrii Maslov ved University of Florida, stærkt underbygge den eksperimentelle observation.

I et vakuum, elektroner er enkle, kedelige elementarpartikler. Men i faste stoffer, den kollektive adfærd af mange elektroner, der interagerer med hinanden og den underliggende platform, kan resultere i fænomener, der fører til nye anvendelser inden for superledning, magnetisme og piezoelektricitet (spænding genereret via materialer placeret under tryk), for at nævne et par stykker. Kondenseret stof videnskab, som fokuserer på faste stoffer, væsker og andre koncentrerede former for stof, søger at afsløre nye fænomener i nye materialer.

Siliciumbaseret elektronik, såsom computerchips og computere, er en af ​​de vigtigste opfindelser i menneskehedens historie. Men silicium fører til betydeligt energitab, når det nedskaleres. Et alternativ er at udnytte elektronernes spins til at transportere information gennem ekstremt tynde ledninger, hvilket i teorien ville reducere energitabet.

Den nyligt opdagede "chirale spin-tilstand" stammer fra havet af elektroner på overfladen af ​​"3D topologiske isolatorer." Disse specielle isolatorer har umagnetiske, isoleringsmateriale med robuste metaloverflader, og elektronerne er indespærrede, så de kun bevæger sig på 2D overflader.

Mest vigtigt, elektronernes roterende akser er plane og vinkelrette på deres hastighed. Chirale spin-tilstande kommer naturligt frem fra overfladen af ​​sådanne isoleringsmaterialer, men de blev aldrig observeret før på grund af krystallinske defekter. Den eksperimentelle observation i den aktuelle undersøgelse blev gjort mulig efter udviklingen af ​​ultra-rene krystaller af Rutgers doktorand Xueyun Wang og bestyrelsesprofessor Sang-Wook Cheong i Rutgers Center for Emergent Materials.

Opdagelsen baner nye veje for at bygge næste generation af elektroniske enheder med lavt tab.