Orbitale strømme kan gå langt - en lovende ny ultrahurtig kanal til databehandling

Orbitronics er et nyligt fremvoksende forskningsfelt om manipulation af elektronernes orbitale frihedsgrad til kvanteinformationsteknologi. Det har dog hidtil været en udfordring at detektere ultrahurtig dynamik i orbital vinkelmomentum.

Ved at bruge state-of-the-art THz-spektroskopi afklarede forskere fra Freie Universität Berlin sammen med nationale og internationale partnere ultrahurtig og langtrækkende strømning af orbitalt polariseret elektron for første gang. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nature Nanotechnology .

Overraskende nok viser resultaterne, at den information, der er lagret i kredsløbets frihedsgrader, hersker i perioder omkring 100 gange længere end den information, der er lagret i elektronens anden vinkelmoment-kanal - spin-frihedsgraden. Opdagelsen markerer et væsentligt skridt i retning af databehandling med THz-hastigheder og lav energispredning i orbitronic-enheder.

En tidsdomæneobservation af orbitale vinkelmomentstrømme

"Vores metode til at generere og måle orbitale vinkelmomentstrømme muliggør en direkte tidsdomæneobservation af deres udbredelse og afslapningsdynamik med femtosekundopløsning," siger Tom S. Seifert, førsteforfatter af undersøgelsen og projektleder i Terahertz Physics Research Group ved Freie Universität Berlin, som stod i spidsen for undersøgelsen.

I deres arbejde brugte forskerne femtosekund laserimpulser til at excitere ultrahurtige orbitale vinkelmomentstrømme i Ni|W tyndfilmsstabler og målte de udsendte terahertz elektromagnetiske impulser. Denne information gjorde det muligt for dem at rekonstruere strømmen af ​​det orbitale vinkelmomentum gennem wolfram som en funktion af tiden med femtosekunds præcision.

"Vi fandt ud af, at orbitale vinkelmomentstrømme i wolfram rejser ved lave hastigheder, men når meget langt," siger Dongwook Go, anden forfatter af undersøgelsen og teoretisk fysiker ved Peter-Grünberg-Institutet i Jülich. En sådan uventet adfærd blev også gengivet ved ab-initio-simuleringer, der afslørede den afgørende rolle, som wolfram-bagfladen spiller for effektiv orbital-til-ladning-strømkonvertering.

Affiltrer spin og orbital transport i farten

Denne undersøgelse fremhæver styrken af ​​bredbånds-terahertz-emissionsspektroskopi til at adskille spin og orbital vinkelmomenttransport samt Hall-lignende og Rashba-Edelstein-lignende konverteringsprocesser baseret på deres forskellige dynamik.

Seifert og kolleger finder, at Ni er en god kredsløbsvinkelmomentkilde, hvorimod W er en god kredsløbs-til-ladningskonverter. Disse resultater er et væsentligt skridt hen imod identifikation af ideelle kilder og detektorer af orbitale vinkelmomentstrømme, som vil drage stor fordel af nøjagtige teoretiske forudsigelser.

"På det lange løb kan terahertz-strømme af orbital vinkelmomentum muliggøre ultrahurtig og lav-dissiperende databehandling, et langvarigt mål for fremtidig teknologi," siger Tom S. Seifert.

Flere oplysninger: Tom S. Seifert et al, Tidsdomæneobservation af ballistiske orbital-vinkelmomentstrømme med gigantisk afslapningslængde i wolfram, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01470-8

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Free University of Berlin