Spintronics:Giant Rashba-halvledere viser ukonventionel dynamik med potentielle applikationer

Germanium tellurid er en stærk kandidat til brug i funktionelle spintroniske enheder på grund af dens gigantiske Rashba-effekt. Nu har forskere ved HZB opdaget et andet spændende fænomen i GeTe ved at studere den elektroniske reaktion på termisk excitation af prøverne. Til deres overraskelse forløb den efterfølgende afslapning fundamentalt anderledes end konventionelle halvmetaller. Ved nænsomt at kontrollere de fine detaljer i den underliggende elektroniske struktur, kunne nye funktionaliteter af denne klasse af materialer udtænkes. De har rapporteret om deres resultater i Avanceret materiale .

I de seneste årtier er kompleksiteten og funktionaliteten af ​​siliciumbaserede teknologier steget eksponentielt, svarende til den stadigt voksende efterspørgsel efter mindre, mere dygtige enheder. Siliciumalderen er dog ved at være slut. Med stigende miniaturisering bliver uønskede kvanteeffekter og termiske tab en stadig større hindring. Yderligere fremskridt kræver nye materialer, der udnytter kvanteeffekter i stedet for at undgå dem. Spintronic-enheder, som bruger spin af elektroner i stedet for deres ladning, lover mere energieffektive enheder med væsentligt forbedrede koblingstider og helt nye funktionaliteter.

Spintronic-enheder kommer

Kandidater til spintroniske enheder er halvledermaterialer, hvor spindene er koblet med elektronernes orbitale bevægelse. Denne såkaldte Rashba-effekt forekommer i en række ikke-magnetiske halvledere og semi-metalliske forbindelser og gør det blandt andet muligt at manipulere spins i materialet ved hjælp af et elektrisk felt.

Første undersøgelse i en ikke-ligevægtstilstand

Germanium telluride er vært for en af ​​de største Rashba-effekter af alle halvledende systemer. Indtil nu er germanium tellurid dog kun blevet undersøgt i termisk ligevægt. Nu, for første gang, har et hold ledet af HZB-fysiker Jaime-Sanchez-Barriga specifikt tilgået en ikke-ligevægtstilstand i GeTe-prøver på BESSY II og undersøgt i detaljer, hvordan ligevægt genoprettes i materialet på ultrahurtig (<10-12 sekunder) tidsskalaer. I processen stødte fysikerne på et nyt og uventet fænomen.

Først blev prøven exciteret med en infrarød puls og derefter målt med høj tidsopløsning ved anvendelse af vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (tr-ARPES). "For første gang var vi i stand til at observere og karakterisere alle faser af excitation, termalisering og afslapning på ultrakorte tidsskalaer," siger Sánchez-Barriga. Det vigtigste resultat:"Dataene viser, at den termiske ligevægt mellem elektronsystemet og krystalgitteret er genoprettet på en meget ukonventionel og kontraintuitiv måde," forklarer en af ​​hovedforfatterne, Oliver Clark.

Ligevægt genoprettet:Jo køligere, jo hurtigere

I simple metalliske systemer etableres termisk ligevægt primært gennem interaktionen mellem elektroner med hinanden og mellem elektroner og gittervibrationerne i krystallen (fononer). Denne proces bremses støt med lavere temperaturer. I germanium tellurid observerede forskerne imidlertid en modsat adfærd:Jo lavere gittertemperaturen på prøven er, jo hurtigere etableres den termiske ligevægt efter excitation med varmepulsen. "Det var meget overraskende," siger Sánchez-Barriga.

Med teoretiske beregninger inden for rammerne af Boltzmann-tilgangen udført af samarbejdspartnere ved Nanyang Technological University, var de i stand til at fortolke de bagvedliggende mikroskopiske processer og skelne mellem tre forskellige termaliseringsprocesser:Interaktioner mellem elektroner inden for samme bånd, i forskellige bånd og elektroner med fononer .

Det ser ud til, at interaktionen mellem elektroner dominerer dynamikken og bliver meget hurtigere med faldende gittertemperatur. "Dette kan forklares med indflydelsen af ​​Rashba-opdelingen på styrken af ​​de grundlæggende elektroniske interaktioner. Denne adfærd er anvendelig for alle Rashba-halvledere," siger Sánchez-Barriga:"De nuværende resultater er vigtige for fremtidige anvendelser af Rashba-halvledere og deres excitationer i ultrahurtig spintronik." + Udforsk yderligere

Germanium tellurides skjulte egenskaber på nanoskala afsløret