Физики разорвали связь между спином и орбитальным состоянием
До сих пор считалось, что электронные вращения и орбитали идут рука об руку в классе материалов, которые являются краеугольным камнем современных информационных технологий
При разработке электронных устройств ученые ищут способы манипулировать и контролировать три основных свойства электронов: их заряд; их спиновые состояния, которые порождают магнетизм; и формы нечетких облаков, которые они формируют вокруг ядер атомов, которые известны как орбитали.
До сих пор считалось, что электронные вращения и орбитали идут рука об руку в классе материалов, которые являются краеугольным камнем современных информационных технологий; вы не можете быстро изменить одно без изменения другого.
Но исследование, проведенное в Национальной ускорительной лаборатории SLAC показывает, что импульс лазерного света может резко изменить состояние вращения одного важного класса материалов, оставляя его орбитальное состояние без изменений.
Результаты предлагают новый путь для создания логических устройств и устройств памяти будущего поколения на основе «орбитроники», говорит Линджия Шен, научный сотрудник SLAC и один из ведущих авторов исследования.
«То, что мы видим в этой системе, является полной противоположностью тому, что люди видели в прошлом», — сказал Шен. «Это повышает вероятность того, что мы могли бы отдельно управлять вращением и орбитальными состояниями и использовать вариации формы орбиталей в качестве нулей и единиц, необходимых для вычислений и хранения информации в компьютерной памяти».
Материал, который изучала команда, был квантовым материалом на основе оксида марганца, известным как NSMO, который поставляется в чрезвычайно тонких кристаллических слоях. Он существует уже три десятилетия и используется в устройствах, где информация хранится с помощью магнитного поля для переключения из одного спинового состояния электрона в другое — метод, известный как спинтроника.
NSMO также считается перспективным кандидатом для создания будущих компьютеров и запоминающих устройств на основе скирмионов — крошечных вихрей, похожих на частицы, создаваемых магнитными полями вращающихся электронов. Но такой материал очень сложен.
«В отличие от полупроводников и других известных материалов, NSMO — это квантовый материал, электроны которого ведут себя кооперативным или коррелированным образом, а не независимо, как они обычно делают», — говорят ученые. — Это затрудняет управление одним аспектом поведения электронов, не затрагивая всех остальных.»
Один из распространенных способов исследовать этот тип материала — ударить по нему лазерным лучом, чтобы увидеть, как его электронные состояния реагируют на инъекцию энергии. Именно это и сделала исследовательская группа. Они наблюдали реакцию материала на рентгеновские лазерные импульсы от источника когерентного света SLAC Linac (LCLS).
Они ожидали увидеть, что упорядоченные структуры электронных спинов и орбиталей в материале будут полностью разрушены или «расплавлены», поскольку они поглощают импульсы лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона.
Но к их удивлению, только модели вращения расплавились, а орбитальные остались нетронутыми. Нормальная связь между спиновым и орбитальным состояниями была полностью нарушена, что является сложной задачей для такого типа коррелированного материала и ранее не наблюдалось.
«Обычно только крошечное применение фотовозбуждения разрушает все. Здесь мы смогли сохранить наиболее важное для будущих устройств электронное состояние — орбитальное состояние, неповрежденным. Это прекрасное новое дополнение к науке об орбитронике и коррелированных электронах.»
Подобно тому, как в спинтронике переключаются спиновые состояния электронов, орбитальные состояния электронов могут быть переключены для обеспечения аналогичной функции. Эти орбитронные устройства теоретически могли бы работать на 10 000 быстрее, чем спинтронные устройства.
Переключение между двумя орбитальными состояниями можно было бы сделать возможным, используя короткие всплески терагерцового излучения, а не магнитные поля, используемые сегодня. Объединение этих двух состояний может обеспечить гораздо лучшую производительность устройства для будущих применений.
L. Shen et al, Decoupling spin-orbital correlations in a layered manganite amidst ultrafast hybridized charge-transfer band excitation, Physical Review B (2020). DOI: 10.1103/PhysRevB.101.201103