2D materialer og grænseflader kan konvertere spinstrøm til en hvirvel af ladestrøm

Energieffektive spintroniske enheder er tættere på at blive realiseret takket være en ny mekanisme forudsagt af RIKEN-fysikere til konvertering mellem elektriske strømhvirvler og en spinstrøm.

Ud over dens negative elektriske ladning, en elektron har en egenskab kendt som spin, som kan tage en af ​​to værdier:op eller ned. Ligesom en elektrons ladning udnyttes til informationsbehandling i elektronik, så strømmen af ​​spin kunne bruges i det nye område af spintronics. Spintronics har den fordel at være mere energieffektiv end konventionel elektronik, da i modsætning til en elektrisk strøm, en spinstrøm genererer ikke Joule-varme.

En effektiv mekanisme til at konvertere en elektronisk strøm til en spinstrøm og omvendt er afgørende for udvikling af spintroniske enheder.

Nu, ved at bruge numeriske simuleringer, Sadamichi Maekawa og Seiji Yunoki, begge fra RIKEN Center for Emergent Matter Science, sammen med deres medarbejdere har demonstreret omdannelsen af ​​en spinstrøm til en roterende hvirvel af ladestrøm (fig. 1).

Holdet ramte ideen om at udnytte Rashba-effekten - et usædvanligt fænomen opdaget i 1959. Det forekommer på nogle overflader eller grænseflader mellem to materialer, hvor atomstrukturen ikke længere er symmetrisk. Rashba-effekten får en elektrons spin og orbitale bevægelse til at interagere.

"Spin-orbit-kobling er en relativistisk effekt, der blander elektronernes spin og orbitale bevægelse, " forklarer Maekawa. "Rashba-kobling er vigtig i oxidgrænsefladestrukturer og i nogle todimensionelle materialer, hvor det producerer forskellige nye topologiske fænomener, der er nyttige til spintronik."

Maekawa og hans medarbejdere brugte computersimuleringer i stor skala til at modellere, hvad der ville ske, når en spinstrøm sprøjtes ind i et Rashba-materiale via en elektrisk kontakt i punktstørrelse. Holdet overvejede et arrangement, hvor retningen af ​​spins er vinkelret på Rashba-materialet, og deres simuleringer viste, at dette skabte en roterende strøm af ladestrøm. Dette er et resultat af en grundlæggende lov om, at vinkelmomentum altid skal bevares, og dermed konverterer krydset det indsprøjtede spin vinkelmoment for det meste til det orbitale vinkelmoment af den nuværende hvirvel.

"I elektronik, elektronernes dynamik er alt:både diffusiv strømning og hydrodynamisk, eller turbulent, bevægelse, " siger Maekawa. Men i spintronik er kun den diffusive strøm af elektroner blevet overvejet indtil videre. "Med generering af ladningsstrømhvirvler, vores arbejde viser muligheden for hydrodynamisk spintronik, som udvider spintronics til at omfatte det hydrodynamiske regime af elektroner."