Stel je twee scholen vissen voor die in cirkels met de klok mee en tegen de klok in zwemmen. Het is genoeg om je hoofd te laten tollen, en nu hebben wetenschappers van de Rutgers University-New Brunswick en de University of Florida de "chirale spin-modus" ontdekt - een zee van elektronen die in tegengestelde cirkels ronddraaien.

"We hebben een nieuwe collectieve spin-modus ontdekt die kan worden gebruikt om energie of informatie te transporteren met zeer weinig energiedissipatie, en het kan een platform zijn voor het bouwen van nieuwe elektronische apparaten zoals computers en processors, " zei Girsh Blumberg, senior auteur van de studie en een professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Rutgers' School of Arts and Sciences.

Collectieve chirale spinmodi propageren golven van elektronenspins die geen laadstroom voeren, maar de "spinning" richtingen van elektronen wijzigen. "Chiraal" verwijst naar entiteiten, zoals je rechter- en linkerhand, die overeenkomen, maar asymmetrisch zijn en niet op hun spiegelbeeld kunnen worden gelegd.

De studie, geleid door Hsiang-Hsi (Sean) Kung, een afgestudeerde student in Blumberg's Rutgers Laser Spectroscopie Lab, werd gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Kung gebruikte een op maat gemaakte, ultragevoelige spectrometer om een ​​prototypische 3D-topologische isolator te bestuderen. Een microscopisch theoretisch model dat de energie- en temperatuurevolutie van de chirale spin-modus voorspelt, is ontwikkeld door Saurabh Maiti en professor Dmitrii Maslov aan de Universiteit van Florida, een sterke onderbouwing van de experimentele waarneming.

In een vacuüm, elektronen zijn eenvoudig, saaie elementaire deeltjes. Maar in vaste stoffen, het collectieve gedrag van veel elektronen die met elkaar en het onderliggende platform interageren, kan leiden tot fenomenen die leiden tot nieuwe toepassingen in supergeleiding, magnetisme en piëzo-elektriciteit (spanning opgewekt via onder druk geplaatste materialen), om er een paar te noemen. Wetenschap van de gecondenseerde materie, die zich richt op vaste stoffen, vloeistoffen en andere geconcentreerde vormen van materie, probeert nieuwe fenomenen in nieuwe materialen te onthullen.

Op silicium gebaseerde elektronica, zoals computerchips en computers, zijn een van de belangrijkste uitvindingen in de menselijke geschiedenis. Maar silicium leidt bij verkleining tot aanzienlijk energieverlies. Een alternatief is om de spins van elektronen te gebruiken om informatie door extreem dunne draden te transporteren, wat in theorie het energieverlies zou verminderen.

De nieuw ontdekte "chirale spin-modus" komt voort uit de zee van elektronen op het oppervlak van "3D-topologische isolatoren". Deze speciale isolatoren hebben niet-magnetische, isolatiemateriaal met robuuste metalen oppervlakken, en de elektronen zijn opgesloten, zodat ze alleen op 2D-oppervlakken bewegen.

Het belangrijkste is, de draaiende assen van de elektronen zijn vlak en staan ​​loodrecht op hun snelheid. Chirale spinmodi komen op natuurlijke wijze voort uit het oppervlak van dergelijke isolatiematerialen, maar ze werden nooit eerder waargenomen vanwege kristallijne defecten. De experimentele observatie in de huidige studie werd mogelijk gemaakt na de ontwikkeling van ultraschone kristallen door Rutgers-promovendus Xueyun Wang en professor Sang-Wook Cheong van de raad van bestuur in het Rutgers Center for Emergent Materials.

De ontdekking effent nieuwe paden voor het bouwen van elektronische apparaten van de volgende generatie met weinig verlies.