L'orbitronica è un campo di ricerca emergente di recente sulla manipolazione del grado di libertà orbitale degli elettroni per la tecnologia dell'informazione quantistica. Tuttavia, finora è stato difficile rilevare in modo inequivocabile la dinamica ultraveloce del momento angolare orbitale.
Utilizzando la spettroscopia THz all'avanguardia, gli scienziati della Freie Universität Berlin insieme a partner nazionali e internazionali hanno chiarito per la prima volta il flusso ultraveloce e a lungo raggio di elettroni polarizzati orbitalmente. La ricerca è pubblicata sulla rivista Nature Nanotechnology .
Sorprendentemente, i risultati mostrano che l'informazione immagazzinata nei gradi di libertà orbitali prevale per periodi circa 100 volte più lunghi dell'informazione immagazzinata nel secondo canale del momento angolare dell'elettrone:il grado di libertà di spin. La scoperta segna un passo significativo verso l'elaborazione dei dati con velocità THz e bassa dissipazione di energia nei dispositivi orbittronici.
"Il nostro metodo di generazione e misurazione delle correnti del momento angolare orbitale consente un'osservazione diretta nel dominio del tempo delle loro dinamiche di propagazione e rilassamento con risoluzione al femtosecondo", afferma Tom S. Seifert, primo autore dello studio e leader del progetto nel Terahertz Physics Research Group presso l'Università di Washington. la Freie Universität Berlin, che ha guidato lo studio.
Nel loro lavoro, i ricercatori hanno utilizzato impulsi laser a femtosecondi per eccitare correnti di momento angolare orbitale ultraveloci in pile di film sottili Ni|W e hanno misurato gli impulsi elettromagnetici terahertz emessi. Queste informazioni hanno permesso loro di ricostruire il flusso del momento angolare orbitale attraverso il tungsteno in funzione del tempo con precisione al femtosecondo.
"Abbiamo scoperto che le correnti del momento angolare orbitale nel tungsteno viaggiano a basse velocità ma arrivano molto lontano", afferma Dongwook Go, secondo autore dello studio e fisico teorico presso l'Istituto Peter-Grünberg di Jülich. Tale comportamento inaspettato è stato riprodotto anche da simulazioni ab-initio che hanno rivelato il ruolo cruciale della superficie posteriore del tungsteno per un'efficiente conversione da orbitale a corrente di carica.
Questo studio evidenzia la potenza della spettroscopia di emissione terahertz a banda larga nel districare il trasporto del momento angolare orbitale e dello spin, nonché i processi di conversione di tipo Hall e di tipo Rashba-Edelstein in base alle loro diverse dinamiche.
Seifert e colleghi scoprono che Ni è una buona fonte di momento angolare orbitale, mentre W è un buon convertitore orbitale-carica. Questi risultati rappresentano un passo significativo verso l'identificazione di sorgenti e rilevatori ideali di correnti di momento angolare orbitale, che trarranno grande beneficio da previsioni teoriche accurate.
"A lungo termine, le correnti terahertz del momento angolare orbitale potrebbero consentire un'elaborazione dei dati ultraveloce e a bassa dissipazione, un obiettivo a lungo termine per la tecnologia futura", afferma Tom S. Seifert.
Ulteriori informazioni: Tom S. Seifert et al, Osservazione nel dominio del tempo di correnti balistiche di momento orbitale-angolare con lunghezza di rilassamento gigante nel tungsteno, Nanotecnologia naturale (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01470-8
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
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