Een nieuwe theorie door wetenschappers van Rice University zou het groeiende veld van spintronica kunnen stimuleren, apparaten die net zo afhankelijk zijn van de toestand van een elektron als de brute elektrische kracht die nodig is om het te duwen.

Materiaaltheoreticus Boris Yakobson en afgestudeerde student Sunny Gupta van Rice's Brown School of Engineering beschrijven het mechanisme achter Rashba-splitsing, een effect dat wordt gezien in kristalverbindingen die de "omhoog" of "omlaag" spintoestanden van hun elektronen kunnen beïnvloeden, analoog aan "aan" of "uit" in gewone transistors.

'Spin' is een verkeerde benaming, omdat de kwantumfysica elektronen tot slechts twee toestanden beperkt. Maar dat is handig, omdat het hen het potentieel geeft om essentiële bits te worden in kwantumcomputers van de volgende generatie, evenals krachtigere alledaagse elektronische apparaten die veel minder energie verbruiken.

Echter, het vinden van de beste materialen om deze stukjes te lezen en te schrijven is een uitdaging.

Het Rice-model kenmerkt enkele lagen om heteroparen - tweedimensionale dubbellagen - te voorspellen die grote Rashba-splitsing mogelijk maken. Deze zouden het mogelijk maken om de spin van voldoende elektronen te regelen om spintransistors op kamertemperatuur te maken, een veel geavanceerdere versie van gewone transistors die afhankelijk zijn van elektrische stroom.

"Het werkingsprincipe achter informatieverwerking is gebaseerd op de stroom van elektronen die aan of uit kan zijn, "Zei Gupta. "Maar elektronen hebben ook een spin-vrijheidsgraad die kan worden gebruikt om informatie te verwerken en is de basis achter spintronica. De mogelijkheid om de elektronenspin te beheersen door het Rashba-effect te optimaliseren, kan nieuwe functionaliteit voor elektronische apparaten opleveren.

"Een mobiele telefoon met spingerelateerd geheugen zou veel krachtiger zijn en veel minder energie verbruiken dan nu, " hij zei.

Yakobson en Gupta willen graag een einde maken aan het vallen en opstaan ​​​​van het vinden van materialen. hun theorie, gepresenteerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society, beoogt precies dat te doen.

"Elektronenspins zijn kleine magnetische momenten die meestal een magnetisch veld nodig hebben om te controleren, "Zei Gupta. "Echter, het manipuleren van dergelijke velden op de kleine schaal die typisch is voor informatica is erg moeilijk. Het Rashba-effect is het fenomeen dat ons in staat stelt om de elektronenspin te regelen met een eenvoudig toe te passen elektrisch veld in plaats van een magnetisch veld."

De groep van Yakobson is gespecialiseerd in berekeningen op atoomniveau die interacties tussen materialen voorspellen. In dit geval, hun modellen hielpen hen te begrijpen dat het berekenen van de Born-effectieve lading van de afzonderlijke materiële componenten een middel biedt om Rashba-splitsing in een dubbellaag te voorspellen.

"Geboren effectieve lading karakteriseert de snelheid van de verandering van de bindingspolarisatie onder externe verstoringen van de atomen, " zei Gupta. "Als twee lagen op elkaar worden gestapeld, het vangt effectief de resulterende verandering in roosters en ladingen, wat zorgt voor de algehele polarisatie tussen de lagen en het interfaceveld dat verantwoordelijk is voor de Rashba-splitsing."

Hun modellen leverden twee heterobilagen op - roosters van MoTe ₂ |Tl ₂ O of MoTe ₂ |PtS ₂ - die goede kandidaten zijn voor de manipulatie van Rashba spin-baankoppeling, dat gebeurt op het grensvlak tussen twee lagen die bij elkaar worden gehouden door de zwakke van der Waals-kracht. (Voor de minder chemisch ingestelde, Mo is molybdeen, Te is telluur, Tl is thallium, O is zuurstof, Pt is platina en S is zwavel.)

Gupta merkte op dat het bekend is dat het Rashba-effect voorkomt in systemen met gebroken inversiesymmetrie - waarbij de spin van het elektron loodrecht op zijn momentum staat - die een magnetisch veld genereert. De sterkte kan worden geregeld door een externe spanning.

"Het verschil is dat het magnetische veld als gevolg van het Rashba-effect afhangt van het momentum van het elektron, wat betekent dat het magnetische veld dat wordt ervaren door een naar links en naar rechts bewegend elektron verschillend is, " zei hij. "Stel je een elektron voor met spin die in de z-richting wijst en in de x-richting beweegt; het zal een momentum-afhankelijk Rashba magnetisch veld ervaren in de y-richting, die het elektron langs de y-as zal precesteren en zijn spinoriëntatie zal veranderen."

Waar een traditionele veldeffecttransistor (FET) wordt in- of uitgeschakeld afhankelijk van de stroom van lading over een barrière met poortspanning, spin-transistoren regelen de lengte van de spin-precessie door een elektrisch poortveld. Als de spinoriëntatie hetzelfde is bij de bron en afvoer van de transistor, het apparaat staat aan; als de oriëntatie verschilt, Het is uit. Omdat een spintransistor niet de elektronische barrière nodig heeft die in FET's wordt gevonden, het heeft minder stroom nodig.

"Dat geeft spintronische apparaten een enorm voordeel ten opzichte van conventionele op lading gebaseerde elektronische apparaten, "Zei Gupta. "Spin-statussen kunnen snel worden ingesteld, waardoor gegevens sneller kunnen worden overgedragen. En spin is niet-vluchtig. Informatie die met spin wordt verzonden, blijft zelfs na een stroomuitval gefixeerd. Bovendien, er is minder energie nodig om de spin te veranderen dan om stroom te genereren om de elektronenlading in een apparaat te behouden, dus spintronica-apparaten verbruiken minder stroom."

"Aan de scheikundige in mij, "Jakobson zei, "de openbaring hier dat de spin-splitskracht afhangt van de Born-lading is, op een manier, zeer vergelijkbaar met de binding ioniciteit versus de elektronegativiteit van de atomen in de formule van Pauling. Deze parallel is zeer intrigerend en verdient nader onderzoek."