Одно из перспективных направлений — орбитроника, которая использует движение электронов вокруг атомного ядра (орбитальный угловой момент) для передачи и хранения информации. До сих пор для управления этим движением требовались магнитные материалы — тяжелые, дорогие и сложные в масштабировании, но теперь физики нашли гораздо более простое решение на основе хиральных фононов.
В своем новом исследовании американские ученые впервые показали, что хиральные фононы могут напрямую передавать орбитальный угловой момент электронам в немагнитном материале. Это открытие устраняет главное ограничение, которое долгое время сдерживало развитие орбитроники.
«Генерация орбитальных токов традиционно требует использования определенных переходных металлов, и многие из этих элементов сейчас классифицируются как критически важные материалы — они мало доступны и дорого стоят, — объясняет соавтор исследования, физик из Университета Северной Каролины Дали Сунь. — Но есть другие способы генерировать орбитальный угловой момент, и предложенный нами метод позволяет использовать более дешевые и распространенные материалы».
В основу открытия легло понимание того, как атомы расположены и движутся внутри материалов. В хиральных материалах, например, в кварце, атомы расположены в спиральном порядке — наподобие резьбы винта. Эти структуры имеют встроенную «закрученность» влево или вправо, которая не может быть совмещена со своим зеркальным отражением.
Атомы в твердых телах постоянно вибрируют. Эти колебания распространяются по материалу в виде волн — фононов. В хиральных материалах закрученная структура заставляет атомы двигаться по круговой или спиральной траектории, и волны тоже следуют такому круговому движению, образуя хиральные фононы.
Ученые выяснили, что это движение может передаваться непосредственно электронам, придавая им орбитальный угловой момент без традиционного магнитного воздействия. Специалисты из Университета Юты впервые напрямую измерили магнетизм в кварце с помощью специального оборудования в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде, подтвердив, что хиральные фононы в кварце создают значительное магнитное поле.
С помощью магнитного поля физики выровняли фононы в α-кварце. После достаточного выравнивания их коллективное движение передалось электронам даже после удаления внешнего магнитного поля. Это создало поток орбитального углового момента — явление, названное орбитальным эффектом Зеебека.
Инновационный подход применим не только к кварцу, но и к другим хиральным материалам — теллуру, селену и гибридным перовскитам, что приближает научный мир и всех нас к более эффективной и доступной электронике будущего.
Ранее ученые обнаружили новое свойство у графена.
Источник: hi-tech.mail.ru