Orbitronika, czyli nowe podejście do kontroli elektronów
Dotychczas współczesna elektronika opierała się przede wszystkim na kontroli ładunku elektrycznego. W ostatnich latach rozwijała się także spintronika, wykorzystująca spin elektronu jako nośnik informacji. Teraz badacze pokazali, że równie obiecującym kierunkiem może być wykorzystanie orbitalnego momentu pędu elektronu, czyli sposobu, w jaki elektron „okrąża” jądro atomowe. Co szczególnie zaskakujące, udało się to osiągnąć bez użycia materiałów magnetycznych.
Pierwszoplanową rolę odegrały tutaj chiralne fonony. Są to kwanty drgań sieci krystalicznej, które można sobie wyobrazić jako uporządkowane fale wibracji rozchodzące się między atomami. W niektórych materiałach o chiralnej (czyli skręconej i asymetrycznej) strukturze atomy nie drgają liniowo, lecz wykonują ruch po torach kołowych. Takie drgania niosą ze sobą własny moment pędu, przypominający mikroskopijne wirowanie.
Badacze wykazali, że ten moment pędu może zostać przekazany elektronom. Innymi słowy, samo drganie atomów w odpowiedniej strukturze krystalicznej jest w stanie wywołać uporządkowany przepływ orbitalnego momentu pędu. W takich okolicznościach powstaje orbitalny efekt Seebecka. To zjawisko jest odpowiednikiem znanego z fizyki efektu Seebecka, w którym różnica temperatur generuje napięcie elektryczne. Tutaj gradient temperatury powoduje powstanie uporządkowanego prądu orbitalnego.
Eksperyment przeprowadzono na krysztale α-kwarcu, odmianie kwarcu o naturalnie chiralnej strukturze. W kontrolowanych warunkach wytworzono w nim różnicę temperatur oraz zastosowano zewnętrzne pole magnetyczne, aby uporządkować kierunek drgań. Następnie, przy użyciu cienkich warstw metali detekcyjnych, zaobserwowano sygnał wskazujący na powstawanie prądu orbitalnego. Wyniki jednoznacznie potwierdziły, że to właśnie skręcone drgania atomów odpowiadają za kontrolę stanu elektronów.
Wczesny etap rozwoju, ale i wielkie możliwości
Znaczenie tego odkrycia wykracza poza czystą fizykę. Jeśli orbitalne właściwości elektronów można kontrolować za pomocą samej struktury materiału i różnic temperatur, otwiera to drogę do projektowania nowych typów urządzeń elektronicznych. Takie układy mogłyby działać szybciej i zużywać mniej energii, a przy tym nie wymagałyby rzadkich oraz kosztownych materiałów magnetycznych.
Czytaj też: Miniaturowe bąbelki i niebieska energia. W Szwajcarii testują technologię, która wygląda jak z przyszłości
I nawet jeśli orbitronika wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, to nowe badania pokazują, że elektrony mają więcej stopni swobody, niż dotąd wykorzystywano w technologii. Kontrolując nie tylko ich ładunek czy spin, ale i orbitalny moment pędu, naukowcy zyskują kolejne narzędzie do budowy przyszłych procesorów, pamięci oraz układów logicznych. Skręcone atomy mogą więc stać się fundamentem następnej generacji elektroniki: cichszej, wydajniejszej i bardziej zaawansowanej niż wszystko, co znamy dzisiaj.
Źródło: NC State University, Nature Physics
