Nature Physics: Открытие монополей углового момента поможет развитию орбитроники

Монополи орбитального углового момента вызывают большой теоретический интерес, так как могут быть использованы в орбитронике — потенциальной энергоэффективной замене традиционной электроники. Благодаря сочетанию надёжной теории и экспериментов на швейцарском источнике света SLS в Институте Пауля Шеррера PSI удалось доказать их существование.

Открытие опубликовано в журнале Nature Physics.

Электроника использует заряд электрона для передачи информации. В будущем, чтобы меньше воздействовать на окружающую среду, могут начать применять другое свойство электронов — спин или орбитальный угловой момент (ОУМ).

Спинтроника использует спин электрона. Орбитронника применяет ОУМ электронов, вращающихся вокруг атомного ядра. Это открывает большие перспективы для создания устройств памяти: большая намагниченность достигается при относительно небольших токах заряда, что делает устройства энергоэффективными.

Сейчас главная задача — определить правильные материалы для создания потоков ОУМ, необходимого условия для орбитроники.

Исследовательская группа под руководством учёных из Института Пауля Шеррера PSI и Институтов Макса Планка в Германии выяснила, что хиральные топологические полуметаллы, открытые в PSI в 2019 году, удобны для генерации потоков ОУМ.

Хиральные топологические полуметаллы: простое решение для орбитроники

Для орбитроники уже использовали титан и другие традиционные материалы. Но пять лет назад открыли хиральные топологические полуметаллы, которые могут стать интересной альтернативой.

У этих материалов спиральная атомная структура, как у двойной спирали ДНК. Благодаря этому они могут иметь узоры или текстуры ОУМ, которые обеспечивают течение. Это большое преимущество, потому что для получения текстур OУM не нужны внешние стимулы — это неотъемлемое свойство материала.

Так стабильные и эффективные течения ОУМ можно создать в любых условиях, — объясняет Михаэль Шюлер из Центра научных вычислений, теории и данных PSI и доцент физики Фрибургского университета.

Он был одним из руководителей недавнего исследования.

Привлекательная, но неуловимая перспектива монополей орбитального углового момента

Существует особая текстура ОУМ, которая, согласно гипотезе, есть в хиральных топологических полуметаллах. Она представляет большой интерес для исследователей — это монополи OУM. Они излучаются из центральной точки во все стороны, подобно шипам испуганного ежа.

Особенность монополей OУM в том, что он однороден во всех направлениях: то есть изотропен. Это полезное свойство, потому что потоки OУM могут генерироваться в любом направлении, — считает Шюлер.

До последнего исследования монополи OУM оставались теоретической мечтой для орбитроники.

Между теорией и экспериментом

Исследователи надеялись наблюдать экспериментальные данные с помощью метода CD-ARPES, используя круговое поляризованное рентгеновское излучение. Однако раньше исследователи не могли интерпретировать полученные данные из-за разрыва между теорией и экспериментом.

По словам Шюлера, у исследователей были данные, но доказательства существования монополей OУM было сложно найти.

Свет, направленный на материал, выбивает из него электроны. По тому, под каким углом и с какой энергией разлетаются электроны, можно судить об электронной структуре материала.

В методе CD-ARPES используется свет с круговой поляризацией.

Шюлер объясняет:

Логично предположить, что циркулярно поляризованный свет позволяет измерить величину, прямо пропорциональную орбитальному угловому моменту. Однако наше исследование показывает, что это предположение наивно, и всё гораздо сложнее.

Точность восполняет пробел

Шюлер и его коллеги изучили два типа хиральных топологических полуметаллов с помощью швейцарского источника света SLS. Они исследовали образцы из палладия и галлия, а также платины и галлия.

Команда подвергла сомнению все предположения с помощью строгой теории и решила выявить текстуры OУM, скрытые в сложной паутине данных CD-ARPES. Затем они изменили энергию фотонов и обнаружили, что сигнал CD-ARPES не прямо пропорционален ОУМ, как считалось ранее. Он вращается вокруг монополей при изменении энергии фотонов. Таким образом, учёные доказали наличие монополей OУM.

Открыты двери для изучения текстур орбитального углового момента в новых материалах

Шюлер и его коллеги показали, что с помощью кристалла с зеркальной хиральностью можно изменить полярность монополя OУM — направить пики OУM внутрь или наружу. Это полезное свойство, поскольку позволяет создавать устройства орбитроники разной направленности.

Теперь учёные могут изучать текстуры орбитального углового момента в различных материалах и оптимизировать их применение для орбитроники.

27.09.2024