Orbitronica is een recent opkomend onderzoeksgebied naar de manipulatie van de orbitale vrijheidsgraad van elektronen voor kwantuminformatietechnologie. Het ondubbelzinnig detecteren van de ultrasnelle dynamiek van het orbitale impulsmoment is tot nu toe echter een uitdaging geweest.

Door gebruik te maken van de modernste THz-spectroscopie hebben wetenschappers van de Freie Universität Berlin samen met nationale en internationale partners voor het eerst de ultrasnelle en langeafstandsstroom van orbitaal gepolariseerd elektron opgehelderd. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology .

Verrassend genoeg laten de resultaten zien dat de informatie die is opgeslagen in de orbitale vrijheidsgraden ongeveer 100 keer langer aanwezig is dan de informatie die is opgeslagen in het tweede impulsmomentkanaal van het elektron:de spinvrijheidsgraad. De ontdekking markeert een belangrijke stap in de richting van gegevensverwerking met THz-snelheden en lage energiedissipatie in orbitronische apparaten.

Een tijddomeinobservatie van orbitale impulsmomentstromen

"Onze methode voor het genereren en meten van orbitale impulsmomentstromen maakt een directe observatie in het tijddomein mogelijk van hun voortplantings- en relaxatiedynamiek met femtoseconderesolutie", zegt Tom S. Seifert, eerste auteur van de studie en projectleider bij de Terahertz Physics Research Group bij de Freie Universität Berlin, die het onderzoek leidde.

In hun werk gebruikten de onderzoekers femtoseconde laserpulsen om ultrasnelle orbitale impulsmomentstromen op te wekken in Ni|W dunnefilmstapels en maten ze de uitgezonden terahertz elektromagnetische pulsen. Met deze informatie konden ze de stroom van het orbitale hoekmomentum door wolfraam als functie van de tijd met femtoseconde-precisie reconstrueren.

‘We ontdekten dat orbitale impulsmomentstromen in wolfraam zich met lage snelheden voortbewegen, maar heel ver reiken’, zegt Dongwook Go, tweede auteur van de studie en theoretisch natuurkundige aan het Peter-Grünberg-Instituut in Jülich. Dergelijk onverwacht gedrag werd ook gereproduceerd door ab-initio-simulaties die de cruciale rol onthulden van het achteroppervlak van wolfraam voor een efficiënte conversie van orbitaal naar laadstroom.

Spin- en orbitaal transport on-the-fly ontwarren

Deze studie benadrukt de kracht van breedband terahertz-emissiespectroscopie bij het ontwarren van spin- en orbitaal impulsmomenttransport, evenals Hall-achtige en Rashba-Edelstein-achtige conversieprocessen op basis van hun verschillende dynamiek.

Seifert en collega's ontdekken dat Ni een goede orbitale impulsmomentbron is, terwijl W een goede orbitaal-naar-lading-omzetter is. Deze resultaten zijn een belangrijke stap in de richting van de identificatie van ideale bronnen en detectoren van orbitale impulsmomentstromen, die sterk zullen profiteren van nauwkeurige theoretische voorspellingen.

"Op de lange termijn zouden terahertz-stromen met een orbitaal impulsmoment ultrasnelle gegevensverwerking met weinig dissipatie mogelijk kunnen maken, een al lang bestaand doel voor toekomstige technologie", zegt Tom S. Seifert.

Meer informatie: Tom S. Seifert et al, Tijddomeinobservatie van ballistische orbitale impulsmomentstromen met gigantische relaxatielengte in wolfraam, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01470-8

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Vrije Universiteit van Berlijn