En upptäckt om hur man styr och överför spinnande elektroner banar väg för nya hybridanordningar som kan överträffa befintlig halvledarelektronik. I en studie publicerad i Naturkommunikation , forskare vid Linköpings universitet i Sverige visar hur man kombinerar en vanlig halvledare med en topologisk isolator, ett nyligen upptäckt tillstånd av materia med unika elektriska egenskaper.

Precis som jorden snurrar runt sin egen axel, det gör också en elektron, medsols eller motsols. "Spintronics" är namnet som används för att beskriva teknologier som utnyttjar både rotationen och laddningen av elektronen. Nuvarande applikationer är begränsade, och tekniken används främst i datorns hårddiskar. Spintronics lovar stora fördelar jämfört med konventionell elektronik, inklusive lägre strömförbrukning och högre hastighet.

När det gäller elektrisk ledning, naturmaterial klassificeras i tre kategorier:ledare, halvledare och isolatorer. Forskare har nyligen upptäckt en exotisk fas av materia som kallas "topologiska isolatorer", som är en isolator inuti, men en ledare på ytan. En av de mest slående egenskaperna hos topologiska isolatorer är att en elektron måste färdas i en specifik riktning längs materialets yta, bestäms av dess rotationsriktning. Den här egenskapen är känd som "spin-momentum locking".

"Ytan på en topologisk isolator är som en välorganiserad uppdelad motorväg för elektroner, där elektroner med en rotationsriktning färdas i en riktning, medan elektroner med motsatt snurriktning färdas i motsatt riktning. De kan resa snabbt i sina riktningar utan att kollidera och utan att tappa energi, "säger Yuqing Huang, Ph D -student vid Institutionen för fysik, Kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet.

Dessa egenskaper gör topologiska isolatorer lovande för spintronic -applikationer. Dock, en nyckelfråga är hur man genererar och manipulerar ytspinnströmmen i topologiska isolatorer.

Forskargruppen bakom den aktuella studien har nu tagit det första steget mot att överföra spinnorienterade elektroner mellan en topologisk isolator och en konventionell halvledare. De genererade elektroner med samma snurr i galliumarsenid, GaAs, en halvledare som vanligtvis används inom elektronik. För att uppnå detta, de använde cirkulärt polariserat ljus, i vilket det elektriska fältet roterar antingen medurs eller moturs när det ses i ljusets färdriktning. De spinnpolariserade elektronerna kan sedan överföras från GaA till en topologisk isolator, att generera en riktad elektrisk ström på ytan. Forskarna kunde styra orienteringen av elektronernas snurr, och riktningen och styrkan hos den elektriska strömmen i den topologiska isolatorn vismut tellurid, Bi2Te3. Denna flexibilitet har enligt forskarna inte varit tillgänglig tidigare. Allt detta uppnåddes utan att applicera en extern elektrisk spänning, visar potentialen för effektiv omvandling från ljusenergi till el. Fynden är betydelsefulla för utformningen av nya spintronic -enheter som utnyttjar interaktion mellan materia och ljus, en teknik som kallas "opto-spintronics".

"Vi kombinerar de överlägsna optiska egenskaperna hos GaAs med de unika elektriska egenskaperna hos en topologisk isolator. Detta har gett oss nya idéer för att designa optospintroniska enheter som kan användas för effektiv och robust informationslagring, utbyta, bearbetning och avläsning i framtida informationsteknik, "säger professor Weimin Chen, som har lett studien.