Но ученые из Forschungszentrum Jülich обнаружили, что в некоторых материалах его не только можно сохранить, но и управлять им.

Все дело в хиральности — свойстве кристаллической структуры, которое влияет на многие природные процессы.

Это открытие может привести к созданию нового класса электронных устройств, способных передавать информацию с высокой надежностью и минимальными затратами энергии.

От электроники к спинтронике, а теперь и к орбитронике: раньше в электронике учитывали только заряд электрона, потом начали использовать его спин. Теперь на сцену выходит орбитальный момент — он описывает движение электрона внутри атома. Не как классическую орбиту, а как квантовое распределение в орбитали.

Десятилетиями спин считали главным параметром для квантовых технологий. Но орбитальный момент тоже может переносить информацию — и он гораздо устойчивее, — объясняет Кристиан Туш из Института Петера Грюнберга.

Он один из авторов исследования, опубликованного в Advanced Materials.

Орбитальный момент — это фундаментальное квантовое свойство, как и спин. Но в кристаллах его обычно не видно: симметрия электрических и магнитных полей решетки его подавляет. Однако в хиральных материалах, таких как кремнистый кобальт (CoSi), все иначе.

Хиральные структуры не имеют зеркальной симметрии — они бывают левыми и правыми, как человеческие руки. Их можно поворачивать, но они останутся зеркальными отражениями, — говорит Туш.

Хиральность встречается повсюду: в молекулах сахара, аминокислотах, ДНК.

С помощью микроскопии импульсов и циркулярно поляризованного света ученые впервые разглядели орбитальный момент в хиральном полупроводнике — как внутри кристалла, так и на его поверхности. Оказалось, что «рукость» материала — левая или правая — предсказуемо влияет на момент электронов.

Кристаллическая структура напрямую определяет угловой момент электронов — это открывает новые горизонты для материаловедения и обработки информации, — подчеркивает экспериментатор Ин-Цзюнь Чень.

Теоретик Донвук Го добавляет:

Это особенно важно для орбитроники — направления, где информацию переносит орбитальный момент.

Ключевая особенность — так называемые дуги Ферми: изогнутые структуры, которые видны в импульсном пространстве. В будущем информацию можно будет передавать не только через заряд или спин, но и через направление орбитального момента.

ЕС уже поддерживает эту технологию в рамках проекта OBELIX. Профессор Клаус Михаэль Шнайдер видит потенциал:

Можно использовать орбитальный момент как носитель данных. Или управлять хиральностью светом, создавая оптические переключатели вместо транзисторов. А связь между орбитальным моментом и спином позволит встроить это в существующие спинтронные схемы.

Это открытие переворачивает представление о том, какие свойства электронов можно использовать в электронике. Если раньше спин казался главным кандидатом для квантовых вычислений, то теперь орбитальный момент предлагает альтернативу — более стабильную и менее энергозатратную.

Где пригодится:

• Квантовые компьютеры — устойчивость момента снизит ошибки.
• Энергоэффективная электроника — меньше нагрева, выше скорость.
• Спин-орбитронные гибриды — комбинирование технологий даст новые устройства.

Пока неясно, насколько легко интегрировать такие материалы в существующие производственные процессы. Хиральные кристаллы могут быть сложны в синтезе, а контроль их свойств потребует новых методов.

Ранее ученые разработали технологию исследования квантовых состояний электронов.