Germanium telluride är en stark kandidat för användning i funktionella spintroniska enheter på grund av dess enorma Rashba-effekt. Nu har forskare vid HZB upptäckt ett annat spännande fenomen i GeTe genom att studera det elektroniska svaret på termisk excitation av proverna. Till deras förvåning fortskred den efterföljande avslappningen fundamentalt annorlunda än den för konventionella halvmetaller. Genom att noggrant kontrollera de fina detaljerna i den underliggande elektroniska strukturen kunde nya funktioner för denna klass av material skapas. De har rapporterat om sina resultat i Avancerat material .

Under de senaste decennierna har komplexiteten och funktionaliteten hos kiselbaserade tekniker ökat exponentiellt, i proportion till den ständigt växande efterfrågan på mindre, mer kapabla enheter. Kiselåldern går dock mot sitt slut. Med ökande miniatyrisering blir oönskade kvanteffekter och termiska förluster ett allt större hinder. Ytterligare framsteg kräver nya material som utnyttjar kvanteffekter snarare än att undvika dem. Spintronic-enheter, som använder spinn av elektroner snarare än deras laddning, lovar mer energieffektiva enheter med avsevärt förbättrade kopplingstider och helt nya funktioner.

Spintronic-enheter kommer

Kandidater för spintroniska enheter är halvledarmaterial där spinnen är kopplade med elektronernas omloppsrörelse. Denna så kallade Rashba-effekt förekommer i ett antal icke-magnetiska halvledare och halvmetalliska föreningar och gör det bland annat möjligt att manipulera spinnen i materialet med ett elektriskt fält.

Första studie i ett icke-jämviktstillstånd

Germanium telluride är värd för en av de största Rashba-effekterna av alla halvledande system. Hittills har dock germaniumtellurid endast studerats i termisk jämvikt. Nu, för första gången, har ett team under ledning av HZB-fysikern Jaime-Sanchez-Barriga specifikt fått tillgång till ett icke-jämviktstillstånd i GeTe-prover vid BESSY II och undersökt i detalj hur jämvikten återställs i materialet på ultrasnabb (<10-12 sekunder) tidsskalor. I processen mötte fysikerna ett nytt och oväntat fenomen.

Först exciterades provet med en infraröd puls och mättes sedan med hög tidsupplösning med användning av vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (tr-ARPES). "För första gången kunde vi observera och karakterisera alla faser av excitation, termalisering och avslappning på ultrakorta tidsskalor", säger Sánchez-Barriga. Det viktigaste resultatet:"Datan visar att den termiska jämvikten mellan elektronsystemet och kristallgittret återställs på ett mycket okonventionellt och kontraintuitivt sätt", förklarar en av huvudförfattarna, Oliver Clark.

Jämvikten återställd:Ju svalare, desto snabbare

I enkla metalliska system etableras termisk jämvikt främst genom interaktionen mellan elektroner med varandra och mellan elektroner och gittervibrationerna i kristallen (fononer). Denna process saktar ner stadigt med lägre temperaturer. I germaniumtellurid observerade forskarna dock ett motsatt beteende:Ju lägre gittertemperaturen hos provet, desto snabbare upprättas den termiska jämvikten efter excitation med värmepulsen. "Det var väldigt överraskande", säger Sánchez-Barriga.

Med teoretiska beräkningar inom ramen för Boltzmann-ansatsen utförda av medarbetare vid Nanyang Technological University, kunde de tolka de bakomliggande mikroskopiska processerna och urskilja tre olika termaliseringsprocesser:Interaktioner mellan elektroner inom samma band, i olika band och elektroner med fononer .

Det verkar som om interaktionen mellan elektroner dominerar dynamiken och blir mycket snabbare med sjunkande gittertemperatur. "Detta kan förklaras av påverkan av Rashba-delningen på styrkan av de grundläggande elektroniska interaktionerna. Detta beteende är tillämpligt på alla Rashba-halvledare," säger Sánchez-Barriga:"De nuvarande resultaten är viktiga för framtida tillämpningar av Rashba-halvledare och deras excitationer i ultrasnabb spintronik." + Utforska vidare

Germanium tellurides dolda egenskaper på nanoskala avslöjade