Spinstrømdetektering i kvantematerialer låser potentialet for alternativ elektronik op

En ny metode, der præcist måler den mystiske adfærd og magnetiske egenskaber ved elektroner, der strømmer over overfladen af ​​kvantematerialer, kunne åbne en vej til næste generations elektronik.

Fundet i hjertet af elektroniske enheder, siliciumbaserede halvledere er afhængige af den kontrollerede elektriske strøm, der er ansvarlig for at drive elektronik. Disse halvledere kan kun få adgang til elektronernes ladning for energi, men elektroner gør mere end at bære en ladning. De har også iboende vinkelmoment kendt som spin, som er et træk ved kvantematerialer, der, mens det er undvigende, kan manipuleres til at forbedre elektroniske enheder.

Et team af forskere, ledet af An-Ping Li ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, har udviklet en innovativ mikroskopiteknik til at detektere elektronernes spin i topologiske isolatorer, en ny slags kvantemateriale, der kunne bruges i applikationer som spintronics og quantum computing.

"Spinnestrømmen, nemlig det samlede vinkelmoment for elektroner i bevægelse, er en adfærd i topologiske isolatorer, der ikke kunne redegøres for, før en spin-sensitiv metode blev udviklet, "Sagde Li.

Elektroniske enheder fortsætter med at udvikle sig hurtigt og kræver mere strøm pakket i mindre komponenter. Dette tilskynder til behovet for billigere, energieffektive alternativer til ladningsbaseret elektronik. En topologisk isolator fører elektrisk strøm langs overfladen, mens det er dybere inde i massematerialet, det fungerer som en isolator. Elektroner, der flyder hen over materialets overflade, viser ensartede spinretninger, i modsætning til i en halvleder, hvor elektroner drejer i forskellige retninger.

"Opladningsbaserede enheder er mindre energieffektive end spin-baserede, "sagde Li." For at spin kan være nyttige, vi er nødt til at kontrollere både deres flow og orientering. "

For at opdage og bedre forstå denne skæve partikeladfærd, holdet havde brug for en metode, der var følsom over for rotationen af ​​elektroner i bevægelse. Deres nye mikroskopi tilgang blev testet på en enkelt krystal af Bi ₂ Te ₂ Se, et materiale, der indeholder vismut, tellur og selen. Det målte, hvor meget spænding der blev produceret langs materialets overflade, da strømmen af ​​elektroner bevægede sig mellem bestemte punkter, mens man registrerede spændingen for hver elektrones spin.

Den nye metode bygger på et firesonde-scanningstunnelmikroskop-et instrument, der kan lokalisere et materiales atomaktivitet med fire bevægelige sonderingsspidser-ved at tilføje en komponent til at observere elektroners spinadfærd på materialets overflade. Denne fremgangsmåde omfatter ikke kun centrifugeringsfølsomhedsmålinger. Det begrænser også strømmen til et lille område på overfladen, som hjælper med at forhindre elektroner i at undslippe under overfladen, giver resultater i høj opløsning.

"Vi har med succes opdaget en spænding genereret af elektronens spinstrøm, "sagde Li, der medforfatter et papir udgivet af Fysisk gennemgangsbreve det forklarer metoden. "Dette arbejde giver klart bevis på spin-strømmen i topologiske isolatorer og åbner en ny vej til at studere andre kvantematerialer, der i sidste ende kan anvendes i næste generations elektroniske enheder."