Queste forme a palloncino e disco rappresentano un orbitale di elettroni - una nuvola di elettroni sfocata attorno al nucleo di un atomo - in due diversi orientamenti. Gli scienziati sperano di poter un giorno utilizzare le variazioni nell'orientamento degli orbitali come gli 0 e gli 1 necessari per eseguire calcoli e memorizzare informazioni nelle memorie dei computer, un sistema noto come orbitronica. Uno studio SLAC mostra che è possibile separare questi orientamenti orbitali dai modelli di spin degli elettroni, un passaggio chiave per controllarli in modo indipendente in una classe di materiali che è la pietra angolare della moderna tecnologia dell'informazione. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Nella progettazione di dispositivi elettronici, gli scienziati cercano modi per manipolare e controllare tre proprietà fondamentali degli elettroni:la loro carica; i loro stati di rotazione, che danno origine al magnetismo; e le forme delle nuvole sfocate che formano attorno ai nuclei degli atomi, che sono noti come orbitali.
Fino ad ora, si pensava che gli spin e gli orbitali degli elettroni andassero di pari passo in una classe di materiali che è la pietra angolare della moderna tecnologia dell'informazione; non potresti cambiarne rapidamente uno senza cambiare l'altro. Ma uno studio presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia mostra che un impulso di luce laser può cambiare drasticamente lo stato di spin di un'importante classe di materiali lasciando intatto il suo stato orbitale.
I risultati suggeriscono un nuovo percorso per realizzare una futura generazione di dispositivi logici e di memoria basati su "orbitronica, " disse Lingjia Shen, un ricercatore associato SLAC e uno dei ricercatori principali per lo studio.
"Ciò che vediamo in questo sistema è l'esatto contrario di ciò che le persone hanno visto in passato, "Ha detto Shen. "Aumenta la possibilità di poter controllare separatamente la rotazione e gli stati orbitali di un materiale, e utilizzare variazioni nelle forme degli orbitali come gli 0 e gli 1 necessari per eseguire calcoli e memorizzare informazioni nelle memorie dei computer".
Il gruppo di ricerca internazionale, guidato da Joshua Turner, uno scienziato e ricercatore dello staff SLAC con lo Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), hanno riportato i loro risultati questa settimana in Revisione fisica B Comunicazioni rapide .
Un intrigante, materiale complesso
Il materiale studiato dal team era un materiale quantistico a base di ossido di manganese noto come NSMO, che si presenta in strati cristallini estremamente sottili. È in circolazione da tre decenni e viene utilizzato in dispositivi in cui le informazioni vengono archiviate utilizzando un campo magnetico per passare da uno stato di spin dell'elettrone a un altro, un metodo noto come spintronica. NSMO è anche considerato un candidato promettente per realizzare futuri computer e dispositivi di archiviazione di memoria basati su skyrmioni, minuscoli vortici simili a particelle creati dai campi magnetici degli elettroni rotanti.
Ma questo materiale è anche molto complesso, disse Yoshinori Tokura, direttore del RIKEN Center for Emergent Matter Science in Giappone, che è stato anche coinvolto nello studio.
Negli esperimenti SLAC, gli scienziati colpiscono un materiale quantistico con impulsi di luce laser (in alto) per vedere come ciò influenzerebbe i modelli a zigzag (al centro) nel suo reticolo atomico realizzati dalle direzioni di rotazione degli elettroni (frecce nere) e dagli orientamenti degli orbitali degli elettroni (forme di palloncini rossi) . Sono rimasti sorpresi nello scoprire che gli impulsi hanno interrotto gli schemi di rotazione lasciando intatti i modelli orbitali (in basso). Ciò aumenta la possibilità che gli stati di rotazione e orbitali possano essere controllati in modo indipendente per realizzare dispositivi elettronici molto più veloci. Credito:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"A differenza dei semiconduttori e di altri materiali familiari, NSMO è un materiale quantistico i cui elettroni si comportano in modo cooperativo, o correlato, maniera, piuttosto che indipendentemente come fanno di solito, " ha detto. "Questo rende difficile controllare un aspetto del comportamento degli elettroni senza influenzare tutti gli altri".
Un modo comune per indagare su questo tipo di materiale è colpirlo con la luce laser per vedere come i suoi stati elettronici rispondono a un'iniezione di energia. Questo è ciò che il team di ricerca ha fatto qui. Hanno osservato la risposta del materiale con impulsi laser a raggi X dalla Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC.
uno si scioglie, l'altro no
Quello che si aspettavano di vedere era che i modelli ordinati di spin e orbitali degli elettroni nel materiale sarebbero stati gettati in uno scompiglio totale, o "fuso, " mentre assorbivano impulsi di luce laser nel vicino infrarosso.
Ma con loro sorpresa, solo gli schemi di rotazione si sono sciolti, mentre i modelli orbitali sono rimasti intatti, ha detto Turner. Il normale accoppiamento tra lo spin e gli stati orbitali era stato completamente interrotto, Egli ha detto, che è una cosa impegnativa da fare in questo tipo di materiale correlato e non era stata osservata prima.
Tokura ha detto, "Di solito solo una piccola applicazione di fotoeccitazione distrugge tutto. Qui, sono stati in grado di mantenere intatto lo stato di elettroni più importante per i dispositivi futuri, lo stato orbitale. Questa è una bella nuova aggiunta alla scienza dell'orbitronica e degli elettroni correlati".
Proprio come gli stati di spin degli elettroni sono commutati nella spintronica, gli stati orbitali degli elettroni potrebbero essere commutati per fornire una funzione simile. Questi dispositivi orbitronici potrebbero, in teoria, operare 10, 000 più veloce dei dispositivi spintronici, ha detto Shen.
Il passaggio tra due stati orbitali potrebbe essere reso possibile utilizzando brevi raffiche di radiazioni terahertz, piuttosto che i campi magnetici utilizzati oggi, ha detto:"La combinazione dei due potrebbe ottenere prestazioni del dispositivo molto migliori per applicazioni future". Il team sta lavorando su come farlo.
