Een ingenieuze benadering voor het ontwikkelen van geheugenapparaten met laag vermogen, hoge snelheid en hoge dichtheid is gebaseerd op spintronica, een opkomende grens in technologie die gebruikmaakt van een mate van vrijheid van elektronen die bekend staat als spin. Simpel gezegd, elektronen bezitten, samen met hun negatieve lading, een spin waarvan de oriëntatie kan worden gecontroleerd met behulp van magnetische velden. Dit is met name relevant voor magnetische isolatoren, waarin de elektronen niet kunnen bewegen, maar de spin controleerbaar blijft. In deze materialen kunnen de magnetische excitaties aanleiding geven tot een spinstroom, die de basis vormt van spintronica.

Wetenschappers hebben gezocht naar efficiënte methoden om de spinstroom op te wekken. Het fotogalvanische effect, een fenomeen dat wordt gekenmerkt door het genereren van gelijkstroom uit licht, is in dit opzicht bijzonder nuttig. Studies hebben aangetoond dat een fotogalvanische spinstroom op dezelfde manier kan worden gegenereerd met behulp van de magnetische velden in elektromagnetische golven. We hebben momenteel echter geen kandidaat-materiaal en een algemene wiskundige formulering om dit fenomeen te onderzoeken.

Nu heeft universitair hoofddocent Hiroaki Ishizuka van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) samen met zijn collega deze problemen aangepakt. In hun recente studie gepubliceerd in Physical Review Letters , presenteerden ze een algemene formule die kan worden gebruikt om de fotogalvanische spinstroom te berekenen die wordt geïnduceerd door transversale oscillerende magnetische excitaties. Vervolgens gebruikten ze deze formule om te begrijpen hoe fotogalvanische spinstromen ontstaan ​​in dubbellaagse chroom (Cr) trihalideverbindingen, namelijk chroomtrijodide (CrI₃ ) en chroomtribromide (CrBr₃ ).

"In tegenstelling tot eerdere studies waarin longitudinale oscillerende magnetische velden werden overwogen voor het genereren van spinstromen, richt onze studie zich op transversale oscillerende magnetische velden. Op basis hiervan ontdekten we dat processen met één magnon (quantum van spingolf-excitaties) band en twee magnonbanden bijdragen naar de spinstroom", legt Dr. Ishizuka uit.

Met behulp van hun formule ontdekte het duo dat zowel CrI₃ en CrBr₃ toonde een grote fotogalvanische spinstroom voor magnetische excitaties die overeenkomt met elektromagnetische golven op gigahertz- en terahertz-frequenties. De stroom verscheen echter alleen wanneer de spins antiferromagnetische ordening vertoonden, wat betekent dat opeenvolgende spins anti-parallel waren, in tegenstelling tot ferromagnetische ordening (waar opeenvolgende spins parallel zijn).

Bovendien werd de richting van de spinstroom bepaald door de oriëntatie van de antiferromagnetische ordening (of de spins op de eerste en tweede laag omhoog of omlaag waren gerangschikt). Bovendien wezen ze erop dat, in tegenstelling tot eerdere bevindingen die de spinstroom toeschreven aan alleen het proces met twee magnonen, hun formule aantoonde dat een grote respons in het algemeen mogelijk was met het proces met één magnon.

Deze resultaten suggereren dat dubbellaags CrI₃ en CrBr₃ zijn sterke kandidaten voor het onderzoeken van het mechanisme geassocieerd met fotogalvanische spinstroomopwekking.

"Onze studie voorspelt niet alleen onvoorziene bijdragen aan de spinstroom, maar biedt ook een richtlijn voor het ontwerp van nieuwe materialen die worden aangedreven door het fotogalvanische effect van magnetische excitaties", zegt Dr. Ishizuka. + Verder verkennen

2-D centrosymmetrisch antiferromagnetenmodel produceert pure spinstroom