Teori kunne fremskynde skub for spintroniske enheder

En ny teori fra Rice University-forskere kunne sætte skub i det voksende felt af spintronics, enheder, der afhænger af en elektrons tilstand lige så meget som den brutale elektriske kraft, der kræves for at skubbe den.

Materialeteoretiker Boris Yakobson og kandidatstuderende Sunny Gupta ved Rice's Brown School of Engineering beskriver mekanismen bag Rashba-opdelingen, en effekt set i krystalforbindelser, der kan påvirke deres elektroners "op" eller "ned" spin tilstande, analogt med "on" eller "off" i almindelige transistorer.

'Spin' er en forkert betegnelse, da kvantefysik begrænser elektroner til kun to tilstande. Men det er nyttigt, fordi det giver dem potentialet til at blive essentielle bits i næste generations kvantecomputere, samt mere kraftfulde elektroniske hverdagsapparater, der bruger langt mindre energi.

Imidlertid, at finde de bedste materialer til at læse og skrive disse stykker er en udfordring.

Rice-modellen karakteriserer enkeltlag til at forudsige heteropairs - todimensionelle dobbeltlag - der muliggør stor Rashba-opdeling. Disse ville gøre det muligt at kontrollere spindet af nok elektroner til at lave stuetemperatur spintransistorer, en langt mere avanceret version af almindelige transistorer, der er afhængige af elektrisk strøm.

"Arbejdsprincippet bag informationsbehandling er baseret på strømmen af ​​elektroner, der enten kan være slukket eller tændt, " sagde Gupta. "Men elektroner har også en spin-frihedsgrad, som kan bruges til at behandle information og er grundlaget bag spintronics. Evnen til at kontrollere elektronspin ved at optimere Rashba-effekten kan bringe ny funktionalitet til elektroniske enheder.

"En mobiltelefon med spin-relateret hukommelse ville være meget mere kraftfuld og meget mindre energiforbrugende, end den er nu, " han sagde.

Yakobson og Gupta vil gerne eliminere trial and error med at finde materialer. Deres teori, præsenteret i Journal of the American Chemical Society, har til formål at gøre netop det.

"Elektronspin er små magnetiske momenter, som normalt kræver et magnetfelt for at kontrollere, " sagde Gupta. "Men, Det er meget vanskeligt at manipulere sådanne felter på de små skalaer, der er typiske inden for databehandling. Rashba-effekten er det fænomen, der giver os mulighed for at styre elektronspin med et let-anvendeligt elektrisk felt i stedet for et magnetfelt."

Yakobsons gruppe har specialiseret sig i beregninger på atomniveau, der forudsiger interaktioner mellem materialer. I dette tilfælde, deres modeller hjalp dem med at forstå, at beregning af Born-effektive ladning af de individuelle materialekomponenter giver et middel til at forudsige Rashba-opdeling i et dobbeltlag.

"Born effektiv ladning karakteriserer hastigheden af ​​bindingspolarisationsændringen under eksterne forstyrrelser af atomerne, " sagde Gupta. "Når to lag er stablet sammen, det fanger effektivt den resulterende ændring i gitter og ladninger, som frembringer den overordnede mellemlagspolarisering og grænsefladefeltet, der er ansvarlig for Rashba-opdelingen."

Deres modeller viste to heterobilag - gitter af MoTe ₂ |Tl ₂ O eller MoTe ₂ |PtS ₂ - som er gode kandidater til manipulation af Rashba spin-orbit kobling, hvilket sker ved grænsefladen mellem to lag holdt sammen af ​​den svage van der Waals kraft. (For mindre kemisk tilbøjelige, Mo er molybdæn, Det er tellur, Tl er thallium, O er ilt, Pt er platin og S er svovl.)

Gupta bemærkede, at Rashba-effekten er kendt for at forekomme i systemer med brudt inversionssymmetri - hvor elektronens spin er vinkelret på dens momentum - der genererer et magnetfelt. Dens styrke kan styres af en ekstern spænding.

"Forskellen er, at magnetfeltet på grund af Rashba-effekten afhænger af elektronens momentum, hvilket betyder, at det magnetiske felt, der opleves af en venstregående og højrebevægende elektron, er forskelligt, " sagde han. "Forestil dig en elektron med spin, der peger i z-retningen og bevæger sig i x-retningen; det vil opleve et momentumafhængigt Rashba-magnetfelt i y-retningen, som vil præcessere elektronen langs y-aksen og ændre dens spin-orientering."

Hvor en traditionel felteffekttransistor (FET) tænder eller slukker afhængigt af ladningsstrømmen over en barriere med gatespænding, spintransistorer styrer spinprecessionslængden ved hjælp af et elektrisk gatefelt. Hvis spin-retningen er den samme ved transistorens kilde og dræn, enheden er tændt; hvis orienteringen afviger, Det er slukket. Fordi en spin-transistor ikke kræver den elektroniske barriere, der findes i FET'er, det kræver mindre strøm.

"Det giver spintronic-enheder en enorm fordel sammenlignet med konventionelle ladningsbaserede elektroniske enheder, " sagde Gupta. "Spin-tilstande kan indstilles hurtigt, hvilket gør overførsel af data hurtigere. Og spin er ikke-flygtigt. Information, der sendes ved hjælp af spin, forbliver fast, selv efter strømtab. I øvrigt, mindre energi er nødvendig for at ændre spin end at generere strøm for at opretholde elektronladninger i en enhed, så spintronics-enheder bruger mindre strøm."

"Til kemikeren i mig, " sagde Yakobson, "åbenbaringen her, at spin-splitningsstyrken afhænger af Born-ladningen er, på en måde, meget lig bindingsioniciteten versus atomernes elektronegativitet i Paulings formel. Denne parallel er meget spændende og fortjener yderligere udforskning."