Energie-efficiënte spintronische apparaten zijn bijna gerealiseerd dankzij een nieuw mechanisme dat door RIKEN-fysici is voorspeld voor het omzetten tussen elektrische stroomwervels en een spinstroom.

Naast de negatieve elektrische lading, een elektron heeft een eigenschap die bekend staat als spin, die een van twee waarden kan aannemen:omhoog of omlaag. Net zoals de lading van een elektron wordt gebruikt voor informatieverwerking in de elektronica, dus de stroom van spin zou kunnen worden gebruikt in het opkomende gebied van spintronica. Spintronics heeft het voordeel dat het energiezuiniger is dan conventionele elektronica sinds, in tegenstelling tot een elektrische stroom, een spinstroom genereert geen Joule-warmte.

Een efficiënt mechanisme om een ​​elektronische stroom om te zetten in een spinstroom en vice versa is cruciaal voor de ontwikkeling van spintronische apparaten.

Nutsvoorzieningen, door gebruik te maken van numerieke simulaties, Sadamichi Maekawa en Seiji Yunoki, beide van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, hebben samen met hun collega's de omzetting van een spinstroom in een roterende vortex van laadstroom aangetoond (Fig. 1).

Het team kwam op het idee om gebruik te maken van het Rashba-effect - een ongewoon fenomeen dat in 1959 werd ontdekt. ​​Het komt voor op sommige oppervlakken of de interfaces tussen twee materialen, waar de atomaire structuur niet langer symmetrisch is. Het Rashba-effect zorgt ervoor dat de spin en orbitale beweging van een elektron op elkaar inwerken.

"Spin-orbit-koppeling is een relativistisch effect dat de spin en orbitale beweging van elektronen vermengt, " legt Maekawa uit. "Rashba-koppeling is belangrijk in oxide-interfacestructuren en in sommige tweedimensionale materialen, waar het verschillende nieuwe topologische verschijnselen produceert die nuttig zijn voor spintronica."

Maekawa en zijn collega's gebruikten grootschalige computersimulaties om te modelleren wat er zou gebeuren als een spinstroom in een Rashba-materiaal wordt geïnjecteerd via een puntgroot elektrisch contact. Het team heeft een opstelling overwogen waarbij de richting van de spins loodrecht op het Rashba-materiaal staat, en hun simulaties gaven aan dat dit een roterende stroom van laadstroom creëerde. Dit is het resultaat van een fundamentele wet dat impulsmoment altijd moet worden behouden, en dus zet de junctie het geïnjecteerde spin-impulsmoment meestal om in het orbitale impulsmoment van de huidige vortex.

"Op het gebied van elektronica de dynamiek van elektronen is alles:zowel diffuse stroming als hydrodynamisch, of turbulent, beweging, " zegt Maekawa. Echter, in spintronica is tot nu toe alleen rekening gehouden met de diffuse elektronenstroom. "Met de opwekking van laadstroomwervels, ons werk toont de mogelijkheid van hydrodynamische spintronica, die spintronica uitbreidt met het hydrodynamische regime van elektronen."