Dessa ballong-och-skivor representerar en elektronomloppsbana - ett luddigt elektronmoln runt en atoms kärna - i två olika orienteringar. Forskare hoppas en dag kunna använda variationer i orbitalers orientering som nollorna och 1orna som behövs för att göra beräkningar och lagra information i datorminnen, ett system som kallas orbitronics. En SLAC-studie visar att det är möjligt att separera dessa orbitala orienteringar från elektronspinmönster, ett nyckelsteg för att självständigt kontrollera dem i en klass av material som är hörnstenen i modern informationsteknologi. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Vid design av elektroniska enheter, forskare letar efter sätt att manipulera och kontrollera tre grundläggande egenskaper hos elektroner:deras laddning; deras spinntillstånd, som ger upphov till magnetism; och formerna på de luddiga molnen de bildar runt atomkärnorna, som är kända som orbitaler.
Tills nu, elektronspinn och orbitaler ansågs gå hand i hand i en klass av material som är hörnstenen i modern informationsteknik; du kunde inte snabbt ändra det ena utan att ändra det andra. Men en studie vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory visar att en puls av laserljus dramatiskt kan förändra centrifugeringstillståndet för en viktig materialklass samtidigt som dess orbitaltillstånd är intakt.
Resultaten tyder på en ny väg för att göra en framtida generation av logik och minnesenheter baserade på "orbitronics, " sa Lingjia Shen, en SLAC-forskare och en av de ledande forskarna för studien.
"Det vi ser i detta system är den fullständiga motsatsen till vad människor har sett tidigare, " sa Shen. "Det väcker möjligheten att vi kan kontrollera ett materials spinn och omloppstillstånd separat, och använda variationer i formerna på orbitaler som 0:or och 1:or som behövs för att göra beräkningar och lagra information i datorminnen."
Det internationella forskarteamet, ledd av Joshua Turner, en SLAC-personalforskare och utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), rapporterade sina resultat denna vecka i Fysisk granskning B Snabb kommunikation .
En spännande, komplext material
Materialet som teamet studerade var ett manganoxidbaserat kvantmaterial känt som NSMO, som kommer i extremt tunna kristallina lager. Det har funnits i tre decennier och används i enheter där information lagras genom att använda ett magnetfält för att växla från ett elektronspintillstånd till ett annat, en metod som kallas spintronics. NSMO anses också vara en lovande kandidat för att göra framtida datorer och minneslagringsenheter baserade på skyrmions, små partikelliknande virvlar skapade av magnetfälten hos spinnande elektroner.
Men detta material är också mycket komplext, sa Yoshinori Tokura, chef för RIKEN Center for Emergent Matter Science i Japan, som också var involverad i studien.
I SLAC-experiment, forskare träffade ett kvantmaterial med pulser av laserljus (överst) för att se hur detta skulle påverka sicksackmönster (mitten) i dess atomgitter som skapas av elektronernas rotationsriktningar (svarta pilar) och orienteringen av elektronorbitaler (röda ballongformer) . De blev förvånade när de upptäckte att pulserna störde spinnmönstren samtidigt som de lämnade orbitalmönstren intakta (botten). Detta ökar möjligheten att spinn- och omloppstillstånd kan kontrolleras oberoende för att göra mycket snabbare elektroniska enheter. Upphovsman:Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Till skillnad från halvledare och andra bekanta material, NSMO är ett kvantmaterial vars elektroner beter sig i ett kooperativ, eller korrelerat, sätt, snarare än självständigt som de brukar, ", sa han. "Detta gör det svårt att kontrollera en aspekt av elektronernas beteende utan att påverka alla andra."
Ett vanligt sätt att undersöka denna typ av material är att slå det med laserljus för att se hur dess elektroniska tillstånd reagerar på en energiinjektion. Det är vad forskargruppen gjorde här. De observerade materialets svar med röntgenlaserpulser från SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS).
Man smälter, den andra gör det inte
Vad de förväntade sig att se var att ordnade mönster av elektronspinn och orbitaler i materialet skulle kastas i total oordning, eller "smält, " när de absorberade pulser av nära-infrarött laserljus.
Men till deras förvåning, bara spinnmönstren smälte, medan omloppsmönstren förblev intakta, sa Turner. Den normala kopplingen mellan spinn- och orbitaltillstånden hade brutits helt, han sa, vilket är en utmanande sak att göra i den här typen av korrelerat material och som inte har observerats tidigare.
Tokura sa, "Vanligtvis förstör allt en liten applikation av fotoexcitation allt. Här, de kunde hålla elektrontillståndet som är viktigast för framtida enheter – orbitaltillståndet – oskadat. Detta är ett trevligt nytt tillägg till vetenskapen om orbitronik och korrelerade elektroner."
Ungefär som elektronspinntillstånd byts i spintronik, elektronomloppstillstånd skulle kunna ändras för att ge en liknande funktion. Dessa orbitroniska enheter kan, i teorin, kör 10, 000 snabbare än spintronic-enheter, sa Shen.
Växling mellan två orbitaltillstånd skulle kunna göras möjlig genom att använda korta skurar av terahertzstrålning, snarare än de magnetfält som används idag, Han sa:"Att kombinera de två kan uppnå mycket bättre enhetsprestanda för framtida applikationer." Teamet arbetar på sätt att göra det.
