Монополи орбитального углового момента (ОУМ) представляют собой заманчивую перспективу для орбитроники, поскольку ОУМ однороден во всех направлениях. Это означало бы, что потоки информации могут генерироваться в любом направлении. Кредит: Институт Пола Шеррера/Моника Блетри
Монополи орбитального углового момента стали предметом большого теоретического интереса, поскольку они предлагают значительные практические преимущества для развивающейся области орбитроники, потенциальной энергоэффективной альтернативы традиционной электронике. Теперь, благодаря сочетанию надежной теории и экспериментов в Swiss Light Source SLS в Институте Пауля Шеррера PSI, их существование было продемонстрировано. Открытие опубликовано в журнале Nature Physics.
В то время как электроника использует заряд электрона для передачи информации, технология будущего с меньшим воздействием на окружающую среду может использовать другое свойство электронов для обработки информации. До недавнего времени основным претендентом на другой тип «троники» была спинтроника. Здесь свойство, используемое для передачи информации, — это спин электрона.
Исследователи также изучают возможность использования орбитального углового момента (OAM) электронов, вращающихся вокруг атомного ядра: новая область, известная как орбитроника. Эта область имеет большие перспективы для устройств памяти, особенно потому, что большая намагниченность может быть потенциально создана с относительно малыми зарядными токами, что приводит к энергоэффективным устройствам. Вопрос на миллион долларов сейчас заключается в определении правильных материалов для генерации потоков OAM, что является предпосылкой для орбитроники.
Международная исследовательская группа под руководством ученых из Института Пауля Шеррера PSI и Институтов Макса Планка в Галле и Дрездене в Германии продемонстрировала, что хиральные топологические полуметаллы, новый класс материалов, открытый в PSI в 2019 году, обладают свойствами, которые делают их весьма практичным выбором для генерации токов ОАМ.
Хиральные топологические полуметаллы: простое решение для орбитроники
В поисках подходящих материалов для орбитроники уже были сделаны шаги вперед с использованием обычных материалов, таких как титан. Однако с момента их открытия пять лет назад хиральные топологические полуметаллы стали интригующим претендентом. Эти материалы обладают спиральной атомной структурой, которая дает естественную «рукость», как двойная спираль ДНК, и могут естественным образом наделить их узорами или текстурами ОАМ, которые обеспечивают его поток.
«Это дает значительное преимущество перед другими материалами, поскольку вам не нужно применять внешние стимулы для получения текстур OAM — они являются внутренним свойством материала», — объясняет Майкл Шулер, руководитель группы в Центре научных вычислений, теории и данных в PSI и доцент кафедры физики в Университете Фрибурга, который был одним из руководителей недавнего исследования. «Это может облегчить создание стабильных и эффективных потоков OAM без необходимости в особых условиях».
Привлекательная, но неуловимая перспектива монополей орбитального углового момента
Существует одна конкретная текстура OAM, предполагаемая в хиральных топологических полуметаллах, которая пленила исследователей: монополи OAM. В этих монополях OAM излучается наружу из центральной точки, как шипы испуганного ежа, свернувшегося в клубок.
Почему эти монополи так заманчивы, так это то, что OAM однороден во всех направлениях: т. е. он изотропен. «Это очень полезное свойство, поскольку оно означает, что потоки OAM могут быть созданы в любом направлении», — говорит Шулер.
Тем не менее, несмотря на привлекательность монополей OAM для орбитроники, до этого последнего исследования они оставались теоретической мечтой.
Ежи прячутся между теорией и экспериментом
Для их экспериментального наблюдения надежда была связана с техникой, известной как круговой дихроизм в угловой фотоэмиссионной спектроскопии, или CD-ARPES, использующей циркулярно поляризованные рентгеновские лучи от источника синхротронного света. Однако разрыв между теорией и экспериментом в прошлом мешал исследователям интерпретировать данные. «Исследователи могли иметь данные, но доказательства существования монополей ОАМ были похоронены в них», — говорит Шулер.
В ARPES свет освещает материал, выбрасывая электроны. Углы и энергии этих выброшенных электронов раскрывают информацию об электронной структуре материала. В CD-ARPES падающий свет имеет круговую поляризацию.
«Естественное предположение заключается в том, что если вы используете циркулярно поляризованный свет, вы измеряете нечто, что прямо пропорционально OAM», — объясняет Шулер. «Проблема в том, что, как мы показываем в нашем исследовании, это оказывается несколько наивным предположением. На самом деле, все гораздо сложнее».
Строгость заполняет пробел
В своем исследовании Шулер и его коллеги исследовали два типа хиральных топологических полуметаллов в Swiss Light Source SLS: те, что сделаны из палладия и галлия или платины и галлия. Решив раскрыть текстуры OAM, скрытые в сложной паутине данных CD-ARPES, команда бросила вызов каждому предположению с помощью строгой теории.
Затем они предприняли необычный и важный дополнительный экспериментальный шаг, изменив энергию фотонов. «Сначала данные не имели смысла. Казалось, что сигнал менялся повсюду», — говорит Шулер.
Тщательно разбирая, как различные вклады усложняют расчеты OAM из данных CD-ARPES, они обнаружили, что сигнал CD-ARPES не был прямо пропорционален OAM, как считалось ранее, а вращался вокруг монополей по мере изменения энергии фотона. Таким образом, они преодолели разрыв между теорией и экспериментом и доказали наличие монополей OAM.
Открыты двери для исследования текстур орбитального углового момента в новых материалах
Вооружившись способностью точно визуализировать монополи OAM, Шулер и его коллеги продолжили показывать, что полярность монополя — независимо от того, направлены ли шипы OAM внутрь или наружу — можно изменить на противоположную, используя кристалл с хиральностью зеркального изображения. «Это очень полезное свойство, поскольку устройства орбитроники потенциально могут быть созданы с различной направленностью», — говорит Шулер.
Теперь, когда теория и эксперимент наконец объединились, более широкое исследовательское сообщество оснащено средствами для изучения текстур OAM в различных материалах и оптимизации их приложений для орбитроники.
Дополнительная информация: Управляемые монополи орбитального углового момента в хиральных топологических полуметаллах, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02655-1
Информация о журнале: Nature Physics
Предоставлено Институтом Пауля Шеррера
