bilden till vänster visar kristallstrukturen för ett MoTe2 | PtS2 heterobilager med isocharge tomter från en modell skapad vid Rice University. När materialen staplas ihop, spegelsymmetri bryts och det finns en laddningsöverföring som skapar ett inneboende elektriskt fält. Detta fält är ansvarigt för Rashba-typ-splittring som visas av bandstrukturen till höger, där snurren är vinkelrät mot momentum. Upphovsman:Sunny Gupta
En ny teori av forskare från Rice University kan öka det växande området spintronics, enheter som är beroende av tillståndet hos en elektron lika mycket som den brutala elektriska kraft som krävs för att trycka på den.
Materialteoretikern Boris Yakobson och doktoranden Sunny Gupta vid Rice's Brown School of Engineering beskriver mekanismen bakom Rashba -splittring, en effekt som ses i kristallföreningar som kan påverka deras elektroners "upp" eller "ner" spinntillstånd, analogt med "på" eller "av" i vanliga transistorer.
'Spin' är en felaktig benämning, eftersom kvantfysiken begränsar elektroner till endast två tillstånd. Men det är användbart, eftersom det ger dem potential att bli viktiga bitar i nästa generations kvantdatorer, samt kraftfullare vardagliga elektroniska enheter som använder mycket mindre energi.
Dock, att hitta de bästa materialen för att läsa och skriva dessa bitar är en utmaning.
Rice-modellen kännetecknar enstaka lager för att förutsäga heteropair-tvådimensionella bilager-som möjliggör stor Rashba-splittring. Dessa skulle göra det möjligt att styra centrifugeringen av tillräckligt många elektroner för att göra spinntransistorer vid rumstemperatur, en mycket mer avancerad version av vanliga transistorer som är beroende av elektrisk ström.
"Arbetsprincipen bakom informationsbehandling är baserad på elektronflödet som antingen kan vara av eller på, "Gupta sa." Men elektroner har också en snurrningsgrad av frihet som kan användas för att bearbeta information och är grunden bakom spintronics. Möjligheten att styra elektronspinnet genom att optimera Rashba -effekten kan ge nya funktioner till elektroniska enheter.
"En mobiltelefon med snurrrelaterat minne skulle vara mycket kraftfullare och mycket mindre energikrävande än det är nu, " han sa.
Yakobson och Gupta vill eliminera försöket och felet med att hitta material. Deras teori, presenteras i Journal of the American Chemical Society, syftar till att göra just det.
"Elektronspinn är små magnetiska ögonblick som vanligtvis kräver ett magnetfält för att styra, "Sa Gupta." Men att manipulera sådana fält på de små skalor som är typiska för beräkning är mycket svårt. Rashba-effekten är fenomenet som gör att vi kan styra elektronspinnet med ett lättanvänd elektriskt fält istället för ett magnetfält. "
Yakobsons grupp specialiserar sig på beräkningar på atomnivå som förutsäger interaktioner mellan material. I detta fall, deras modeller hjälpte dem att förstå att beräkningen av Born effektiv laddning av de enskilda materialkomponenterna ger ett sätt att förutsäga att Rashba delas upp i ett tvåskikt.
"Född effektiv laddning kännetecknar hastigheten för bindningspolarisationsförändringen under yttre störningar av atomerna, "Sa Gupta." När två lager staplas ihop, det fångar effektivt upp den resulterande förändringen i gitter och laddningar, vilket åstadkommer den övergripande polarisationen mellan polerskikt och gränssnittsfältet som ansvarar för Rashba -splittringen. "
Deras modeller visade upp två heterobilayers - gitter av MoTe 2 | Tl 2 O eller MoTe 2 | PtS 2 -det är bra kandidater för manipulation av Rashba-spindelkoppling, som sker vid gränssnittet mellan två lager som hålls samman av den svaga van der Waalskraften. (För de mindre kemiskt benägna, Mo är molybden, Du är tellur, Tl är tallium, O är syre, Pt är platina och S är svavel.)
Gupta noterade att Rashba -effekten är känd för att förekomma i system med bruten inversionssymmetri - där elektronens snurr är vinkelrät mot dess momentum - som genererar ett magnetfält. Dess styrka kan styras av en extern spänning.
"Skillnaden är att magnetfältet på grund av Rashba -effekten beror på elektronens momentum, vilket betyder att magnetfältet som upplevs av en vänster- och högerrörande elektron är annorlunda, "sa han." Tänk dig en elektron med spinn som pekar i z-riktningen och rör sig i x-riktningen; det kommer att uppleva ett momentumberoende Rashba-magnetfält i y-riktningen, som kommer att föra elektronen längs y-axeln och ändra dess rotationsorientering. "
Om en traditionell fälteffekttransistor (FET) slås på eller av beroende på laddningsflödet över en barriär med grindspänning, centrifugeringstransistorer styr centrifugeringslängden med ett grindelektriskt fält. Om centrifugeringsorienteringen är densamma vid transistorns källa och avlopp, enheten är på; om orienteringen skiljer sig åt, den är avstängd. Eftersom en spinntransistor inte kräver den elektroniska barriären som finns i FET, den behöver mindre kraft.
"Det ger spintronic-enheter en enorm fördel jämfört med konventionella laddningsbaserade elektroniska enheter, "Gupta sa." Spin -tillstånd kan ställas in snabbt, vilket gör överföring av data snabbare. Och snurr är icke -flyktig. Information som skickas med spin förblir fast även efter strömavbrott. Dessutom, mindre energi behövs för att byta spinn än att generera ström för att bibehålla elektronladdningar i en enhet, så spintronics -enheter använder mindre ström. "
"Till kemisten i mig, "Sa Yakobson, "uppenbarelsen här att centrifugeringsstyrkan beror på Born-laddningen är, på ett sätt, mycket lik bindningsjoniciteten kontra elektronegativiteten hos atomerna i Paulings formel. Denna parallell är mycket spännande och förtjänar ytterligare utforskning. "
