Bij het ontwerpen van elektronische apparaten wetenschappers zoeken naar manieren om drie basiseigenschappen van elektronen te manipuleren en te controleren:hun lading; hun spin staat, die aanleiding geven tot magnetisme; en de vormen van de vage wolken die ze vormen rond de kernen van atomen, die orbitalen worden genoemd.

Tot nu, van elektronenspins en orbitalen werd gedacht dat ze hand in hand gaan in een materiaalklasse die de hoeksteen is van de moderne informatietechnologie; je kon het ene niet snel veranderen zonder het andere te veranderen. Maar een onderzoek aan het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy toont aan dat een puls van laserlicht de spintoestand van een belangrijke klasse materialen drastisch kan veranderen terwijl de orbitale toestand intact blijft.

De resultaten suggereren een nieuw pad voor het maken van een toekomstige generatie logische en geheugenapparaten op basis van "orbitronica, " zei Lingjia Shen, een SLAC-onderzoeksmedewerker en een van de hoofdonderzoekers voor het onderzoek.

"Wat we in dit systeem zien, is het tegenovergestelde van wat mensen in het verleden hebben gezien, Shen zei. "Het verhoogt de mogelijkheid dat we de spin- en orbitale toestanden van een materiaal afzonderlijk kunnen regelen, en gebruik variaties in de vorm van orbitalen als de nullen en enen die nodig zijn om berekeningen te maken en informatie op te slaan in computergeheugens."

Het internationale onderzoeksteam, geleid door Joshua Turner, een SLAC-stafwetenschapper en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), rapporteerden hun resultaten deze week in Fysieke beoordeling B Snelle communicatie .

Een intrigerende, complexe materie

Het materiaal dat het team bestudeerde was een op mangaanoxide gebaseerd kwantummateriaal dat bekend staat als NSMO, die in extreem dunne kristallijne lagen komt. Het bestaat al drie decennia en wordt gebruikt in apparaten waar informatie wordt opgeslagen door een magnetisch veld te gebruiken om van de ene elektronenspintoestand naar de andere over te schakelen. een methode die bekend staat als spintronica. NSMO wordt ook beschouwd als een veelbelovende kandidaat voor het maken van toekomstige computers en geheugenopslagapparaten op basis van skyrmions, kleine deeltjesachtige vortexen gecreëerd door de magnetische velden van ronddraaiende elektronen.

Maar dit materiaal is ook erg complex, zei Yoshinori Tokura, directeur van het RIKEN Center for Emergent Matter Science in Japan, die ook bij het onderzoek betrokken was.

"In tegenstelling tot halfgeleiders en andere bekende materialen, NSMO is een kwantummateriaal waarvan de elektronen zich in een coöperatieve, of gecorreleerd, manier, in plaats van onafhankelijk zoals ze gewoonlijk doen, " zei hij. "Dit maakt het moeilijk om één aspect van het gedrag van de elektronen te beheersen zonder alle andere te beïnvloeden."

Een veelgebruikte manier om dit soort materiaal te onderzoeken, is door er met laserlicht op te slaan om te zien hoe de elektronische toestanden reageren op een injectie van energie. Dat is wat het onderzoeksteam hier deed. Ze observeerden de reactie van het materiaal met röntgenlaserpulsen van SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS).

Een smelt, de ander niet

Wat ze verwachtten te zien, was dat ordelijke patronen van elektronenspins en orbitalen in het materiaal in totale wanorde zouden worden geworpen, of "gesmolten, " terwijl ze pulsen van nabij-infrarood laserlicht absorbeerden.

Maar tot hun verbazing alleen de spinpatronen smolten, terwijl de orbitale patronen intact bleven, zei Turner. De normale koppeling tussen de spin- en orbitale toestanden was volledig verbroken, hij zei, wat een uitdaging is om te doen in dit soort gecorreleerd materiaal en nog niet eerder was waargenomen.

Tokura zei, "Gewoonlijk vernietigt slechts een kleine toepassing van foto-excitatie alles. Hier, ze waren in staat om de elektronentoestand die het belangrijkst is voor toekomstige apparaten - de orbitale toestand - onbeschadigd te houden. Dit is een mooie nieuwe toevoeging aan de wetenschap van orbitronica en gecorreleerde elektronen."

Net zoals elektronenspintoestanden worden geschakeld in spintronica, elektron-orbitale toestanden kunnen worden geschakeld om een ​​vergelijkbare functie te bieden. Deze orbitronische apparaten kunnen, in theorie, bedienen 10, 000 sneller dan spintronische apparaten, zei Sheen.

Schakelen tussen twee orbitale toestanden kan mogelijk worden gemaakt door korte uitbarstingen van terahertz-straling te gebruiken, in plaats van de magnetische velden die tegenwoordig worden gebruikt, hij zei:"Het combineren van de twee zou veel betere apparaatprestaties kunnen opleveren voor toekomstige toepassingen." Het team werkt aan manieren om dat te doen.