Il tellururo di germanio è un forte candidato per l'uso in dispositivi spintronici funzionali grazie al suo gigantesco effetto Rashba. Ora, gli scienziati dell'HZB hanno scoperto un altro fenomeno intrigante in GeTe studiando la risposta elettronica all'eccitazione termica dei campioni. Con loro sorpresa, il successivo rilassamento procedette in modo fondamentalmente diverso da quello dei semimetalli convenzionali. Controllando delicatamente i minimi dettagli della struttura elettronica sottostante, si potrebbero concepire nuove funzionalità di questa classe di materiali. Hanno riportato i loro risultati in Materiali avanzati .

Negli ultimi decenni, la complessità e la funzionalità delle tecnologie basate sul silicio sono aumentate in modo esponenziale, in proporzione alla domanda sempre crescente di dispositivi più piccoli e più capaci. Tuttavia, l'era del silicio sta volgendo al termine. Con l'aumento della miniaturizzazione, gli effetti quantistici indesiderati e le perdite termiche stanno diventando un ostacolo sempre maggiore. Ulteriori progressi richiedono nuovi materiali che sfruttino gli effetti quantistici anziché evitarli. I dispositivi spintronici, che utilizzano gli spin degli elettroni anziché la loro carica, promettono dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico con tempi di commutazione notevolmente migliorati e funzionalità completamente nuove.

I dispositivi Spintronic stanno arrivando

I candidati per i dispositivi spintronici sono materiali semiconduttori in cui gli spin sono accoppiati con il movimento orbitale degli elettroni. Questo cosiddetto effetto Rashba si verifica in numerosi semiconduttori non magnetici e composti semimetallici e consente, tra le altre cose, di manipolare gli spin nel materiale mediante un campo elettrico.

Primo studio in uno stato di non equilibrio

Il tellururo di germanio ospita uno dei più grandi effetti Rashba di tutti i sistemi a semiconduttore. Finora, tuttavia, il tellururo di germanio è stato studiato solo in equilibrio termico. Ora, per la prima volta, un team guidato dal fisico HZB Jaime-Sanchez-Barriga ha specificamente avuto accesso a uno stato di non equilibrio nei campioni di GeTe al BESSY II e ha studiato in dettaglio come viene ripristinato l'equilibrio nel materiale su ultraveloce (<10 ^-12 secondi) tempi. Nel processo, i fisici incontrarono un fenomeno nuovo e inaspettato.

In primo luogo, il campione è stato eccitato con un impulso a infrarossi e quindi misurato con un'elevata risoluzione temporale utilizzando la spettroscopia di fotoemissione con risoluzione angolare (tr-ARPES). "Per la prima volta, siamo stati in grado di osservare e caratterizzare tutte le fasi di eccitazione, termalizzazione e rilassamento su scale temporali ultra brevi", afferma Sánchez-Barriga. Il risultato più importante:"I dati mostrano che l'equilibrio termico tra il sistema di elettroni e il reticolo cristallino viene ripristinato in un modo altamente non convenzionale e controintuitivo", spiega uno degli autori principali, Oliver Clark.

Ripristino dell'equilibrio:più freddo, più veloce

Nei sistemi metallici semplici, l'equilibrio termico si stabilisce principalmente attraverso l'interazione tra gli elettroni e tra gli elettroni e le vibrazioni del reticolo nel cristallo (fononi). Questo processo rallenta costantemente con temperature più basse. Nel tellururo di germanio, tuttavia, i ricercatori hanno osservato un comportamento opposto:più bassa è la temperatura del reticolo del campione, più velocemente si stabilisce l'equilibrio termico dopo l'eccitazione con l'impulso di calore. "E' stato davvero sorprendente", dice Sánchez-Barriga.

Con calcoli teorici nell'ambito dell'approccio Boltzmann svolti dai collaboratori della Nanyang Technological University, sono stati in grado di interpretare i processi microscopici sottostanti e distinguere tre diversi processi di termalizzazione:Interazioni tra elettroni all'interno della stessa banda, in diverse bande ed elettroni con fononi .

Sembra che l'interazione tra gli elettroni domini la dinamica e diventi molto più veloce con la diminuzione della temperatura del reticolo. "Ciò può essere spiegato dall'influenza della scissione Rashba sulla forza delle interazioni elettroniche fondamentali. Questo comportamento è applicabile a tutti i semiconduttori Rashba", afferma Sánchez-Barriga:"I risultati attuali sono importanti per le applicazioni future dei semiconduttori Rashba e dei loro eccitazioni nella spintronica ultraveloce." + Esplora ulteriormente

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