Energieffektiva spintroniska enheter är närmare att realiseras tack vare en ny mekanism som förutspåtts av RIKEN-fysiker för omvandling mellan elektriska strömvirvlar och en spinnström.

Förutom sin negativa elektriska laddning, en elektron har en egenskap som kallas spin, som kan ha ett av två värden:uppåt eller nedåt. Precis som en elektrons laddning utnyttjas för informationsbehandling inom elektronik, så spinnflödet kunde användas inom det framväxande området spintronics. Spintronics har fördelen av att vara mer energieffektiv än konventionell elektronik eftersom, till skillnad från en elektrisk ström, en spinnström genererar inte Joule-värme.

En effektiv mekanism för att omvandla en elektronisk ström till en spinström och vice versa är avgörande för att utveckla spintroniska enheter.

Nu, genom att använda numeriska simuleringar, Sadamichi Maekawa och Seiji Yunoki, båda från RIKEN Center for Emergent Matter Science, har tillsammans med sina medarbetare visat omvandlingen av en spinnström till en roterande virvel av laddningsström (Fig. 1).

Teamet slog på idén att utnyttja Rashba-effekten – ett ovanligt fenomen som upptäcktes 1959. Det förekommer på vissa ytor eller gränssnitten mellan två material, där atomstrukturen inte längre är symmetrisk. Rashba-effekten får en elektrons spinn och orbitala rörelse att interagera.

"Spin-omloppskoppling är en relativistisk effekt som blandar elektronernas spinn och omloppsrörelse, " förklarar Maekawa. "Rashba-koppling är viktig i oxidgränssnittsstrukturer och i vissa tvådimensionella material, där det producerar olika nya topologiska fenomen som är användbara för spintronik."

Maekawa och hans medarbetare använde storskaliga datorsimuleringar för att modellera vad som skulle hända när en spinnström injiceras i ett Rashba-material via en elektrisk kontakt i punktstorlek. Teamet övervägde ett arrangemang där snurrarnas riktning är vinkelrät mot Rashba-materialet, och deras simuleringar visade att detta skapade ett roterande flöde av laddningsström. Detta är ett resultat av en grundläggande lag att rörelsemängd alltid måste bevaras, och sålunda omvandlar korsningen det injicerade spinnvinkelmomentet mestadels till det orbitala vinkelmomentet för strömvirveln.

"Inom elektronik, elektronernas dynamik är allt:både diffusivt flöde och hydrodynamiskt, eller turbulent, rörelse, säger Maekawa. Men, inom spintronik har endast det diffusiva flödet av elektroner beaktats hittills. "Med genereringen av laddningsströmvirvlar, vårt arbete visar möjligheten till hydrodynamisk spintronik, som utökar spintroniken till att omfatta elektronernas hydrodynamiska regim."