Germaniumtelluride is een sterke kandidaat voor gebruik in functionele spintronische apparaten vanwege het gigantische Rashba-effect. Nu hebben wetenschappers van HZB een ander intrigerend fenomeen in GeTe ontdekt door de elektronische respons op thermische excitatie van de monsters te bestuderen. Tot hun verbazing verliep de daaropvolgende relaxatie fundamenteel anders dan die van conventionele halfmetalen. Door de fijne details van de onderliggende elektronische structuur subtiel te beheersen, konden nieuwe functionaliteiten van deze klasse materialen worden bedacht. Ze hebben hun resultaten gerapporteerd in Advanced Materials .

In de afgelopen decennia is de complexiteit en functionaliteit van op silicium gebaseerde technologieën exponentieel toegenomen, in overeenstemming met de steeds groeiende vraag naar kleinere, meer capabele apparaten. Aan het siliciumtijdperk komt echter een einde. Met toenemende miniaturisatie worden ongewenste kwantumeffecten en thermische verliezen een steeds groter obstakel. Verdere vooruitgang vereist nieuwe materialen die kwantumeffecten benutten in plaats van ze te vermijden. Spintronic-apparaten, die spins van elektronen gebruiken in plaats van hun lading, beloven meer energie-efficiënte apparaten met aanzienlijk verbeterde schakeltijden en geheel nieuwe functionaliteiten.

Spintronic-apparaten komen eraan

Kandidaten voor spintronische apparaten zijn halfgeleidermaterialen waarbij de spins gekoppeld zijn aan de orbitale beweging van de elektronen. Dit zogenaamde Rashba-effect komt voor in een aantal niet-magnetische halfgeleiders en semi-metaalverbindingen en maakt het onder andere mogelijk om de spins in het materiaal te manipuleren door een elektrisch veld.

Eerste studie in een niet-evenwichtstoestand

Germaniumtelluride herbergt een van de grootste Rashba-effecten van alle halfgeleidende systemen. Tot nu toe is germaniumtelluride echter alleen bestudeerd in thermisch evenwicht. Nu heeft een team onder leiding van HZB-natuurkundige Jaime-Sanchez-Barriga specifiek toegang gekregen tot een niet-evenwichtstoestand in GeTe-monsters bij BESSY II en in detail onderzocht hoe het evenwicht in het materiaal op ultrasnelle (<10 ^-12 seconden) tijdschalen. Daarbij kwamen de natuurkundigen een nieuw en onverwacht fenomeen tegen.

Eerst werd het monster geëxciteerd met een infraroodpuls en vervolgens gemeten met een hoge tijdresolutie met behulp van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (tr-ARPES). "Voor het eerst waren we in staat om alle fasen van excitatie, thermalisatie en ontspanning op ultrakorte tijdschalen te observeren en te karakteriseren", zegt Sánchez-Barriga. Het belangrijkste resultaat:"De gegevens tonen aan dat het thermische evenwicht tussen het elektronensysteem en het kristalrooster op een hoogst onconventionele en contra-intuïtieve manier wordt hersteld", legt een van de hoofdauteurs, Oliver Clark, uit.

Evenwicht hersteld:hoe koeler, hoe sneller

In eenvoudige metallische systemen wordt het thermisch evenwicht voornamelijk tot stand gebracht door de interactie tussen elektronen met elkaar en tussen elektronen en de roostertrillingen in het kristal (fononen). Dit proces vertraagt ​​gestaag bij lagere temperaturen. In germaniumtelluride zagen de onderzoekers echter een tegengesteld gedrag:hoe lager de roostertemperatuur van het monster, hoe sneller het thermisch evenwicht wordt bereikt na excitatie met de warmtepuls. "Dat was heel verrassend", zegt Sánchez-Barriga.

Met theoretische berekeningen in het kader van de Boltzmann-aanpak, uitgevoerd door medewerkers van de Nanyang Technological University, waren ze in staat om de onderliggende microscopische processen te interpreteren en drie verschillende thermalisatieprocessen te onderscheiden:Interacties tussen elektronen binnen dezelfde band, in verschillende banden en elektronen met fononen .

Het lijkt erop dat de interactie tussen elektronen de dynamiek domineert en veel sneller wordt met afnemende roostertemperatuur. "Dit kan worden verklaard door de invloed van de Rashba-splitsing op de sterkte van de fundamentele elektronische interacties. Dit gedrag is van toepassing op alle Rashba-halfgeleiders", zegt Sánchez-Barriga:"De huidige resultaten zijn belangrijk voor toekomstige toepassingen van Rashba-halfgeleiders en hun excitaties in ultrasnelle spintronica." + Verder verkennen

De verborgen eigenschappen van germaniumtelluride op nanoschaal onthuld