Föreställ dig två fiskeskolor som simmar i medurs och moturs cirklar. Det räcker för att få huvudet att snurra, och nu har forskare vid Rutgers University -New Brunswick och University of Florida upptäckt "chiral spin mode" - ett hav av elektroner som snurrar i motsatta cirklar.

"Vi upptäckte ett nytt kollektivt snurrläge som kan användas för att transportera energi eller information med mycket liten energispridning, och det kan vara en plattform för att bygga nya elektroniska enheter som datorer och processorer, "sa Girsh Blumberg, senior författare till studien och professor vid Institutionen för fysik och astronomi i Rutgers 'School of Arts and Sciences.

Kollektiva kirala centrifugeringslägen är förökande vågor av elektronspinn som inte bär en laddström men ändrar elektronernas "snurrande" riktningar. "Chiral" avser enheter, som dina högra och vänstra händer, som är matchande men asymmetriska och inte kan läggas på sin spegelbild.

Studien, ledd av Hsiang-Hsi (Sean) Kung, en doktorand i Blumbergs Rutgers Laser Spectroscopy Lab, publicerades i Fysiska granskningsbrev . Kung använde en skräddarsydd, ultrakänslig spektrometer för att studera en prototypisk topologisk 3D-isolator. En mikroskopisk teoretisk modell som förutspår energi- och temperaturutvecklingen i det kirala centrifugeringsläget utvecklades av Saurabh Maiti och professor Dmitrii Maslov vid University of Florida, starkt underbyggande av den experimentella observationen.

I ett vakuum, elektroner är enkla, tråkiga elementära partiklar. Men i fasta ämnen, det kollektiva beteendet hos många elektroner som interagerar med varandra och den underliggande plattformen kan resultera i fenomen som leder till nya applikationer inom supraledning, magnetism och piezoelektricitet (spänning genererad via material placerade under tryck), för att nämna några. Kondenserad materiavetenskap, som fokuserar på fasta ämnen, vätskor och andra koncentrerade former av material, försöker avslöja nya fenomen i nya material.

Kiselbaserad elektronik, såsom datormarker och datorer, är en av de viktigaste uppfinningarna i mänsklighetens historia. Men kisel leder till betydande energiförlust när det skalas ner. Ett alternativ är att utnyttja elektronernas snurr för att transportera information genom extremt tunna trådar, vilket i teorin skulle minska energiförlusten.

Det nyupptäckta "kirala snurrläget" härstammar från elektronhavet på ytan av "topologiska 3D -isolatorer". Dessa speciella isolatorer har omagnetiska, isolerande material med robusta metallytor, och elektronerna är begränsade så att de bara rör sig på 2D -ytor.

Viktigast, elektronernas snurraxlar är jämna och vinkelräta mot deras hastighet. Kirala centrifugeringslägen kommer naturligt upp från ytan på sådana isolerande material, men de observerades aldrig tidigare på grund av kristallina defekter. Den experimentella observationen i den aktuella studien möjliggjordes efter utvecklingen av ultrarene kristaller av Rutgers doktorand Xueyun Wang och styrelsens professor Sang-Wook Cheong i Rutgers Center for Emergent Materials.

Upptäckten banar nya vägar för att bygga nästa generations elektronik med låg förlust.