Orbitalne monopole momentu pędu były przedmiotem wielkiego zainteresowania teoretycznego, ponieważ oferują duże praktyczne korzyści dla powstającej dziedziny orbitroniki, potencjalnej energooszczędnej alternatywy dla tradycyjnej elektroniki. Teraz, dzięki połączeniu solidnej teorii i eksperymentów w Swiss Light Source SLS w Instytucie Paula Scherrera PSI, wykazano ich istnienie. Odkrycie zostało opublikowane w czasopiśmie Fizyka Przyrody.
Podczas gdy elektronika wykorzystuje ładunek elektronu do przesyłania informacji, technologia przyszłości o mniejszym wpływie na środowisko może wykorzystywać inną właściwość elektronów do przetwarzania informacji. Do niedawna głównym pretendentem do innego rodzaju „troniki” była spintronika. W tym przypadku właściwością wykorzystywaną do przenoszenia informacji jest spin elektronu.
Naukowcy badają także możliwość wykorzystania orbitalnego momentu pędu (OAM) elektronów krążących wokół ich jądra atomowego: wschodzącej dziedziny znanej jako orbitronika. Pole to jest bardzo obiecujące dla urządzeń pamięci, zwłaszcza że przy stosunkowo małych prądach ładowania można potencjalnie wygenerować duże namagnesowanie, co doprowadzi do powstania urządzeń energooszczędnych. Pytaniem wartym milion dolarów jest obecnie identyfikacja odpowiednich materiałów do generowania przepływów OAM, co jest warunkiem wstępnym rozwoju orbitroniki.
Teraz międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez naukowców z Instytutu Paula Scherrera PSI i Instytutów Maxa Plancka w Halle i Dreźnie w Niemczech wykazał, że chiralne półmetale topologiczne, nowa klasa materiałów odkryta w PSI w 2019 r., posiadają właściwości, które czynią je wysoce praktyczny wybór do generowania prądów OAM.
Chiralne topologiczne półmetale: proste rozwiązanie dla orbitroniki
W poszukiwaniu odpowiednich materiałów dla orbitroniki poczyniono już postępy przy użyciu konwencjonalnych materiałów, takich jak tytan. Jednak od czasu ich odkrycia pięć lat temu chiralne topologiczne półmetale stały się intrygującym pretendentem. Materiały te posiadają spiralną strukturę atomową, która zapewnia naturalną „ręczność” podobną do podwójnej helisy DNA i może w naturalny sposób nadać im wzory lub tekstury OAM, które umożliwiają jego przepływ.
„To znacząca zaleta w porównaniu z innymi materiałami, ponieważ nie trzeba stosować bodźców zewnętrznych, aby uzyskać tekstury OAM — są one nieodłączną właściwością materiału” – wyjaśnia Michael Schüler, lider grupy w Centrum Obliczeń Naukowych, Teoria i Data w PSI oraz adiunkt fizyki na Uniwersytecie we Fryburgu, który był współkierownikiem niedawnych badań. „Mogłoby to ułatwić tworzenie stabilnych i wydajnych prądów OAM bez konieczności stosowania specjalnych warunków”.
Atrakcyjna, ale nieuchwytna perspektywa orbitalnych monopoli momentu pędu
Istnieje jedna szczególna tekstura OAM, przypuszczalna w chiralnych topologicznych półmetalach, która urzekła badaczy: monopole OAM. W przypadku tych monopoli OAM promieniuje na zewnątrz od punktu centralnego, niczym kolce przestraszonego jeża zwiniętego w kłębek.
Powodem, dla którego te monopole są tak kuszące, jest to, że OAM jest jednolity we wszystkich kierunkach, tj. jest izotropowy. „Jest to bardzo przydatna właściwość, ponieważ oznacza, że przepływy OAM mogą być generowane w dowolnym kierunku” – mówi Schüler.
Jednak pomimo atrakcyjności monopoli OAM dla orbitroniki, aż do najnowszego badania pozostawały one teoretycznym marzeniem.
Jeże chowają się pomiędzy teorią a eksperymentem
Aby móc je obserwować eksperymentalnie, nadzieja leży w technice znanej jako dichroizm kołowy w spektroskopii fotoemisyjnej z rozdzielczością kątową, w skrócie CD-ARPES, wykorzystującej spolaryzowane kołowo promieniowanie rentgenowskie pochodzące ze źródła światła synchrotronowego. Jednak luka między teorią a eksperymentem utrudniała badaczom interpretację danych. „Badacze mogli dysponować danymi, ale dowody na istnienie monopoli OAM zostały w nich ukryte” – mówi Schüler.
W ARPES światło pada na materiał, wyrzucając elektrony. Kąty i energie wyrzuconych elektronów ujawniają informacje na temat struktury elektronowej materiału. W CD-ARPES światło padające jest spolaryzowane kołowo.
„Naturalne założenie jest takie, że jeśli użyjesz światła spolaryzowanego kołowo, zmierzysz coś, co jest wprost proporcjonalne do OAM” – wyjaśnia Schüler. „Problem polega na tym, że jak pokazujemy w naszym badaniu, okazuje się to nieco naiwnym założeniem. W rzeczywistości jest to raczej bardziej złożone”.
Rigor wypełnia lukę
W swoim badaniu Schüler i współpracownicy zbadali dwa rodzaje chiralnych półmetali topologicznych w Swiss Light Source SLS: wykonane z palladu i galu lub platyny i galu. Zdeterminowany, aby odkryć tekstury OAM ukryte w złożonej sieci danych CD-ARPES, zespół podważył każde założenie, stosując rygorystyczną teorię.
Następnie wykonali niezwykły i kluczowy, pozaeksperymentalny krok polegający na zmianie energii fotonów. „Na początku dane nie miały sensu. Wydawało się, że sygnał wszędzie się zmienia” – mówi Schüler.
Skrupulatnie analizując, jak różne składowe komplikują obliczenia OAM na podstawie danych CD-ARPES, odkryli, że sygnał CD-ARPES nie był wprost proporcjonalny do OAM, jak wcześniej sądzono, ale obracał się wokół monopoli w miarę zmiany energii fotonów. W ten sposób wypełnili lukę między teorią a eksperymentem i udowodnili obecność monopoli OAM.
Otwierają się drzwi do badania tekstur orbitalnego momentu pędu w nowych materiałach
Wyposażeni w umiejętność dokładnej wizualizacji monopoli OAM, Schüler i współpracownicy wykazali następnie, że biegunowość monopolu – niezależnie od tego, czy impulsy OAM są skierowane do wewnątrz, czy na zewnątrz – można odwrócić za pomocą kryształu o chiralności lustrzanego odbicia. „Jest to bardzo przydatna właściwość, ponieważ potencjalnie można tworzyć urządzenia orbitroniczne o różnej kierunkowości” – mówi Schüler.
Teraz, gdy teoria i eksperyment w końcu zostały zjednoczone, szersza społeczność badawcza jest wyposażona w środki umożliwiające badanie tekstur OAM w różnych materiałach i optymalizację ich zastosowań w orbitronice.
