Spin-sonics:Akustisk bølge får elektronerne til at snurre

Forskere har opdaget den rullende bevægelse af en nanoakustisk bølge forudsagt af den berømte fysiker og nobelprisvinder Lord Rayleigh i 1885. Dette fænomen kan finde anvendelser i akustiske kvanteteknologier eller i såkaldte "fononiske" komponenter, som bruges til at kontrollere udbredelsen af ​​akustiske bølger.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab fremskridt , blev udført af forskere fra Purdue University, universitetet i Augsburg, universitetet i Münster og universitetet i Alberta.

Teamet brugte en nanotråd inden i hvilken elektroner tvinges ind på cirkulære stier ved den akustiske bølges spin. Akustiske bølger er utroligt alsidige i moderne nanofysik, da de kan påvirke både elektroniske og fotoniske systemer. For eksempel, minuts mikroakustiske chips i computere, smartphones eller tablets sikrer, at de modtagne trådløse signaler behandles elektronisk. Imidlertid, trods omfattende anvendelser af nanoakustiske bølger, den grundlæggende egenskab ved spin ved den nanoakustiske bølge var ikke blevet opdaget før denne undersøgelse.

"Siden Lord Rayleighs banebrydende arbejde, det har været kendt, at der er akustiske bølger, der formerer sig på overfladen af ​​faste stoffer, og som viser en meget karakteristisk elliptisk rullende bevægelse, "sagde Hubert Krenner, professor i fysik, der stod i spidsen for studiet ved universitetet i Augsburg og for nylig flyttede til universitetet i Münster. "I tilfælde af nano-akustiske bølger, det er nu lykkedes os at observere dette tværgående spin direkte, det er det, vi fysikere kalder denne bevægelse. "

I deres undersøgelse, forskerne brugte en ekstremt fin nanotråd, der var placeret på et såkaldt piezoelektrisk materiale, lithiumniobat. Dette materiale deformeres, når det udsættes for en elektrisk strøm, og, ved hjælp af små metalelektroder, en akustisk bølge kan genereres på materialet.

På overfladen af ​​materialet, den akustiske bølge genererer et elliptisk roterende (gyrating) elektrisk felt. Det her, på tur, tvinger elektronerne i nanotråden ind på cirkulære stier.

"Indtil videre vidste vi om dette fænomen for lys, "sagde Zubin Jacob, Purdues Elmore lektor i elektrisk og computerteknik. "Nu er det lykkedes os at demonstrere, at dette er en universel effekt, som også forekommer i andre typer bølger såsom lydbølger på en teknologisk vigtig platform, lithiumniobat. "

De præsenterede forskningsresultater er en milepæl:Det tværgående spin, observeret for første gang, kan specifikt bruges til at styre nano-systemer eller overføre oplysninger.

"Vi observerede elektronernes bevægelse i nanotråde, som blev foretaget ved det tekniske universitet i München, gennem lyset fra elektronerne, "sagde Maximilian Sonner, en ph.d. studerende ved Institut for Fysik ved University of Augsburg.

Sonners kollega, Lisa Janker, tilføjet, "Vi bruger et ekstremt hurtigt stroboskop her, som gør os i stand til praktisk at observere denne bevægelse i realtid - selv ved højere frekvenser op til gigahertz -området. "

Farhad Khosravi, der for nylig afsluttede sin ph.d. i Jacobs forskningsgruppe, havde overført sine beregninger for lys direkte til Rayleigh akustiske bølge. "Det har længe været kendt, at lysbølger og lydbølger har lignende egenskaber. Ikke desto mindre er omfanget af kampen for deres spin -egenskaber er virkelig fænomenal, "Sagde Khosravi.

Forskerne er overbeviste om, at det universelle princip om spin-fysik, der ligger til grund for dette fænomen, vil føre til vigtige teknologiske fremskridt. Teamet arbejder nu på at forbinde det tværgående spin af akustiske bølger med spinet af andre bølger.

"Det, vi skal gøre næste gang, er at bruge dette tværgående akustiske spin specifikt for at manipulere optiske kvantesystemer eller lysets spin, for eksempel, "Sagde Jacob.