Konstnärens intryck av upplösningen av den elektroniska 'trafikstockningen'. De röda atomerna är olika i sin kvantnatur och tillåter transport av elektroner i sin omgivning. Kredit:SBQMI
De flesta moderna elektroniska enheter är beroende av små, finjusterade elektriska strömmar för att bearbeta och lagra information. Dessa strömmar dikterar hur snabbt våra datorer kör, hur regelbundet våra hjärtstartare tickar och hur säkert våra pengar förvaras på banken.
I en studie publicerad i Naturfysik , forskare vid University of British Columbia har visat ett helt nytt sätt att exakt styra sådana elektriska strömmar genom att utnyttja interaktionen mellan en elektrons spinn (vilket är det kvantmagnetiska fält som den bär på) och dess orbitala rotation runt kärnan.
"Vi har hittat ett nytt sätt att koppla om den elektriska ledningen i material från på till av, " sa huvudförfattaren Berend Zwartsenberg, en Ph.D. student vid UBC:s Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI). "Det här spännande resultatet utökar inte bara vår förståelse av hur elektrisk ledning fungerar, det kommer att hjälpa oss att ytterligare utforska kända egenskaper som ledningsförmåga, magnetism och supraledning, och upptäck nya som kan vara viktiga för kvantberäkning, datalagring och energitillämpningar."
Vänd strömbrytaren på metallisolatorövergångar
Brett, alla material kan kategoriseras som metaller eller isolatorer, beroende på elektronernas förmåga att röra sig genom materialet och leda elektricitet.
Mätning av ett material där modifiering av spin-omloppskopplingen har använts för att göra det elektroniskt ledande. De mörka färgerna representerar elektroner som är fria att röra sig genom materialet, och är en indikator på det ledande beteendet. Kredit:Berend Zwartsenberg/SBQMI
Dock, inte alla isolatorer skapas lika. I enkla material, skillnaden mellan metalliskt och isolerande beteende härrör från antalet närvarande elektroner:ett udda tal för metaller, och ett jämnt tal för isolatorer. I mer komplexa material, som så kallade Mott-isolatorer, elektronerna interagerar med varandra på olika sätt, med en känslig balans som bestämmer deras elektriska ledning.
I en Mott-isolator, elektrostatisk repulsion förhindrar att elektronerna kommer för nära varandra, vilket skapar en trafikstockning och begränsar det fria flödet av elektroner. Tills nu, det fanns två kända sätt att frigöra trafikstockningen:genom att minska styrkan på den frånstötande interaktionen mellan elektroner, eller genom att ändra antalet elektroner.
SBQMI-teamet undersökte en tredje möjlighet:fanns det ett sätt att ändra själva materialets kvanta natur för att möjliggöra en metallisolatorövergång?
Med hjälp av en teknik som kallas vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi, teamet undersökte Mott-isolatorn Sr2IrO4, övervakning av antalet elektroner, deras elektrostatiska avstötning, och slutligen interaktionen mellan elektronspinnet och dess orbitala rotation.
"Vi fann att kopplingen av spinnet till det orbitala vinkelmomentet saktar ner elektronerna i en sådan utsträckning att de blir känsliga för varandras närvaro, stelnar trafikstockningen." sa Zwartsenberg. "Att minska spin-orbit-kopplingen underlättar i sin tur trafikstockningen och vi kunde demonstrera en övergång från en isolator till en metall för första gången med denna strategi."
"Det här är ett riktigt spännande resultat på grundläggande fysiknivå, och utökar potentialen för modern elektronik, " sa medförfattaren Andrea Damascelli, huvudutredare och vetenskaplig chef för SBQMI. "Om vi kan utveckla en mikroskopisk förståelse av dessa faser av kvantmateria och deras framväxande elektroniska fenomen, vi kan utnyttja dem genom att konstruera kvantmaterial atom för atom för ny elektronisk, magnetiska och avkännande applikationer."
