En ny mikroskopimetod utvecklad av ett ORNL-ledd team har fyra rörliga sonderingsspetsar, är känslig för spinn från rörliga elektroner och ger högupplösta resultat. Genom att använda detta tillvägagångssätt, de observerade spinnbeteendet hos elektroner på ytan av ett kvantmaterial. Kredit:Saban Hus och An-Ping Li/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
En ny metod som exakt mäter det mystiska beteendet och magnetiska egenskaperna hos elektroner som flödar över ytan av kvantmaterial kan öppna en väg till nästa generations elektronik.
Finns i hjärtat av elektroniska enheter, kiselbaserade halvledare är beroende av den kontrollerade elektriska strömmen som är ansvarig för att driva elektroniken. Dessa halvledare kan bara komma åt elektronernas laddning för energi, men elektroner gör mer än att bära en laddning. De har också inneboende vinkelmomentum som kallas spinn, som är en egenskap hos kvantmaterial som, medan de är svårfångade, kan manipuleras för att förbättra elektroniska enheter.
Ett team av forskare, ledd av An-Ping Li vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, har utvecklat en innovativ mikroskopiteknik för att upptäcka spinn av elektroner i topologiska isolatorer, en ny sorts kvantmaterial som skulle kunna användas i applikationer som spintronik och kvantberäkning.
"Snurrströmmen, nämligen den totala rörelsemängden för rörliga elektroner, är ett beteende hos topologiska isolatorer som inte kunde förklaras förrän en spinnkänslig metod utvecklades, " sa Li.
Elektroniska enheter fortsätter att utvecklas snabbt och kräver mer kraft packad i mindre komponenter. Detta föranleder behovet av billigare, energieffektiva alternativ till laddningsbaserad elektronik. En topologisk isolator leder elektrisk ström längs sin yta, medan djupare inuti bulkmaterialet, den fungerar som en isolator. Elektroner som strömmar över materialets yta uppvisar enhetliga spinnriktningar, till skillnad från i en halvledare där elektroner snurrar i olika riktningar.
Ett ORNL-ledd team upptäckte och mätte framgångsrikt en spänning skapad som elektroner, uppvisar konstigt partikelbeteende som kallas spinnström, flyttas över ytan av ett kvantmaterial. Kredit:Saban Hus och An-Ping Li/Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
"Laddningsbaserade enheter är mindre energieffektiva än spinnbaserade, " sa Li. "För att snurr ska vara användbara, vi måste kontrollera både deras flöde och orientering."
För att upptäcka och bättre förstå detta udda partikelbeteende, teamet behövde en metod som var känslig för rotationen av rörliga elektroner. Deras nya tillvägagångssätt för mikroskopi testades på en enkristall av Bi 2 Te 2 Se, ett material som innehåller vismut, tellur och selen. Den mätte hur mycket spänning som producerades längs materialets yta när flödet av elektroner rörde sig mellan specifika punkter samtidigt som det kände av spänningen för varje elektrons snurr.
Den nya metoden bygger på ett tunnelmikroskop med fyra sönder – ett instrument som kan lokalisera ett material atomaktivitet med fyra rörliga sonderingsspetsar – genom att lägga till en komponent för att observera spinnbeteendet hos elektroner på materialets yta. Detta tillvägagångssätt inkluderar inte bara mätningar av spinnkänslighet. Det begränsar också strömmen till ett litet område på ytan, som hjälper till att hindra elektroner från att fly under ytan, ger högupplösta resultat.
"Vi upptäckte framgångsrikt en spänning genererad av elektronens spinnström, sa Li, som var medförfattare till en tidning publicerad av Fysiska granskningsbrev som förklarar metoden. "Detta arbete ger tydliga bevis på spinnströmmen i topologiska isolatorer och öppnar en ny väg för att studera andra kvantmaterial som i slutändan skulle kunna användas i nästa generations elektroniska enheter."
