Un nuovo metodo di microscopia sviluppato da un team guidato dall'ORNL ha quattro punte di sondaggio mobili, è sensibile allo spin degli elettroni in movimento e produce risultati ad alta risoluzione. Utilizzando questo approccio, hanno osservato il comportamento di spin degli elettroni sulla superficie di un materiale quantistico. Credito:Saban Hus e An-Ping Li/Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Un nuovo metodo che misura con precisione il misterioso comportamento e le proprietà magnetiche degli elettroni che scorrono sulla superficie dei materiali quantistici potrebbe aprire la strada all'elettronica di prossima generazione.
Trovato nel cuore dei dispositivi elettronici, i semiconduttori a base di silicio si basano sulla corrente elettrica controllata responsabile dell'alimentazione dell'elettronica. Questi semiconduttori possono accedere solo alla carica degli elettroni per l'energia, ma gli elettroni fanno di più che portare una carica. Hanno anche un momento angolare intrinseco noto come spin, che è una caratteristica dei materiali quantistici che, mentre sfuggente, possono essere manipolati per migliorare i dispositivi elettronici.
Un team di scienziati, guidato da An-Ping Li presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, ha sviluppato un'innovativa tecnica di microscopia per rilevare lo spin degli elettroni negli isolanti topologici, un nuovo tipo di materiale quantistico che potrebbe essere utilizzato in applicazioni come la spintronica e l'informatica quantistica.
"La corrente di spin, vale a dire il momento angolare totale degli elettroni in movimento, è un comportamento negli isolanti topologici che non può essere considerato fino a quando non è stato sviluppato un metodo sensibile allo spin, " disse Li.
I dispositivi elettronici continuano a evolversi rapidamente e richiedono più potenza racchiusa in componenti più piccoli. Ciò richiede la necessità di meno costosi, alternative efficienti dal punto di vista energetico all'elettronica basata sulla carica. Un isolante topologico trasporta corrente elettrica lungo la sua superficie, mentre più in profondità all'interno del materiale sfuso, funge da isolante. Gli elettroni che scorrono sulla superficie del materiale mostrano direzioni di spin uniformi, a differenza di un semiconduttore in cui gli elettroni ruotano in direzioni diverse.
Un team guidato dall'ORNL ha rilevato e misurato con successo un voltaggio creato sotto forma di elettroni, esibendo un comportamento bizzarro delle particelle chiamato corrente di spin, spostato sulla superficie di un materiale quantistico. Credito:Saban Hus e An-Ping Li/Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
"I dispositivi basati sulla carica sono meno efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelli basati su spin, " disse Li. "Perché le rotazioni siano utili, dobbiamo controllare sia il loro flusso che l'orientamento".
Per rilevare e comprendere meglio questo strano comportamento delle particelle, il team aveva bisogno di un metodo sensibile allo spin degli elettroni in movimento. Il loro nuovo approccio al microscopio è stato testato su un singolo cristallo di Bi 2 Te 2 Se, un materiale contenente bismuto, tellurio e selenio. Ha misurato la quantità di tensione prodotta lungo la superficie del materiale mentre il flusso di elettroni si spostava tra punti specifici mentre rilevava la tensione per lo spin di ciascun elettrone.
Il nuovo metodo si basa su un microscopio a effetto tunnel a scansione a quattro sonde, uno strumento in grado di individuare l'attività atomica di un materiale con quattro punte di ispezione mobili, aggiungendo un componente per osservare il comportamento di spin degli elettroni sulla superficie del materiale. Questo approccio non include solo le misurazioni della sensibilità allo spin. Confina anche la corrente in una piccola area sulla superficie, che aiuta a mantenere gli elettroni dalla fuga sotto la superficie, fornendo risultati ad alta risoluzione.
"Abbiamo rilevato con successo una tensione generata dalla corrente di spin dell'elettrone, " disse Li, che è coautore di un articolo pubblicato da Lettere di revisione fisica che spiega il metodo. "Questo lavoro fornisce una chiara prova della corrente di spin negli isolanti topologici e apre una nuova strada per studiare altri materiali quantistici che potrebbero essere applicati in definitiva nei dispositivi elettronici di prossima generazione".
