Forskere bryder forbindelsen mellem et kvantematerialespin og orbitale tilstande

Ved design af elektroniske enheder, videnskabsmænd leder efter måder at manipulere og kontrollere tre grundlæggende egenskaber ved elektroner:deres ladning; deres spin tilstande, som giver anledning til magnetisme; og formen af ​​de uklare skyer, de danner omkring kernerne af atomer, som er kendt som orbitaler.

Indtil nu, elektronspin og orbitaler mentes at gå hånd i hånd i en klasse af materialer, der er hjørnestenen i moderne informationsteknologi; du kunne ikke hurtigt ændre den ene uden at ændre den anden. Men en undersøgelse ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory viser, at en puls af laserlys dramatisk kan ændre spin-tilstanden af ​​en vigtig klasse af materialer, mens den forlader dens orbitale tilstand intakt.

Resultaterne tyder på en ny vej til at lave en fremtidig generation af logik- og hukommelsesenheder baseret på "orbitronics, " sagde Lingjia Shen, en SLAC forskningsmedarbejder og en af ​​de ledende forskere for undersøgelsen.

"Det, vi ser i dette system, er det fuldstændige modsatte af, hvad folk har set tidligere, " sagde Shen. "Det rejser muligheden for, at vi kunne kontrollere et materiales spin- og orbitale tilstande separat, og bruge variationer i formen af ​​orbitaler som 0'erne og 1'erne, der er nødvendige for at foretage beregninger og gemme information i computerhukommelser."

Det internationale forskerhold, ledet af Joshua Turner, en SLAC-stabsforsker og efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), rapporterede deres resultater i denne uge Fysisk gennemgang B Hurtig kommunikation .

En spændende, komplekst materiale

Materialet, holdet undersøgte, var et manganoxid-baseret kvantemateriale kendt som NSMO, som kommer i ekstremt tynde krystallinske lag. Det har eksisteret i tre årtier og bruges i enheder, hvor information lagres ved at bruge et magnetfelt til at skifte fra en elektronspintilstand til en anden, en metode kendt som spintronics. NSMO betragtes også som en lovende kandidat til at lave fremtidige computere og hukommelseslagringsenheder baseret på skyrmions, små partikellignende hvirvler skabt af de magnetiske felter fra roterende elektroner.

Men dette materiale er også meget komplekst, sagde Yoshinori Tokura, direktør for RIKEN Center for Emergent Matter Science i Japan, som også var involveret i undersøgelsen.

"I modsætning til halvledere og andre velkendte materialer, NSMO er et kvantemateriale, hvis elektroner opfører sig i et kooperativ, eller korreleret, måde, snarere end selvstændigt, som de plejer, " sagde han. "Dette gør det svært at kontrollere et aspekt af elektronernes adfærd uden at påvirke alle de andre."

En almindelig måde at undersøge denne type materiale på er at ramme det med laserlys for at se, hvordan dets elektroniske tilstande reagerer på en indsprøjtning af energi. Det gjorde forskerholdet her. De observerede materialets respons med røntgenlaserimpulser fra SLACs Linac Coherent Light Source (LCLS).

Man smelter, den anden gør ikke

Det, de forventede at se, var, at ordnede mønstre af elektronspin og orbitaler i materialet ville blive smidt i total uorden, eller "smeltet, ", da de absorberede pulser af nær-infrarødt laserlys.

Men til deres overraskelse, kun spin-mønstrene smeltede, mens kredsløbsmønstrene forblev intakte, sagde Turner. Den normale kobling mellem spin- og orbitaltilstanden var blevet fuldstændig brudt, han sagde, hvilket er en udfordrende ting at gøre i denne type korreleret materiale og ikke var blevet observeret før.

Tokura sagde, "Som regel ødelægger kun en lille påføring af fotoexcitation alt. Her, de var i stand til at holde elektrontilstanden, der er vigtigst for fremtidige enheder - orbitaltilstanden - ubeskadiget. Dette er en fin ny tilføjelse til videnskaben om orbitronik og korrelerede elektroner."

Ligesom elektronspintilstande skiftes i spintronik, elektronomløbstilstande kunne skiftes for at give en lignende funktion. Disse orbitronic enheder kunne, i teorien, betjene 10, 000 hurtigere end spintronic-enheder, sagde Shen.

Skift mellem to orbitale tilstande kunne gøres muligt ved at bruge korte udbrud af terahertz-stråling, snarere end de magnetiske felter, der bruges i dag, Han sagde:"At kombinere de to kunne opnå meget bedre enhedsydelse til fremtidige applikationer." Teamet arbejder på måder at gøre det på.