Orbitronics är ett nyligen framväxande forskningsfält om manipulering av elektronernas orbitala frihetsgrad för kvantinformationsteknologi. Att otvetydigt detektera ultrasnabb dynamik i omloppsrörelsemängden har varit utmanande hittills.
Genom att använda toppmodern THz-spektroskopi klargjorde forskare från Freie Universität Berlin tillsammans med nationella och internationella partners ultrasnabbt och långdistansflöde av orbitalt polariserad elektron för första gången. Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Nanotechnology .
Överraskande nog visar resultaten att informationen som lagras i frihetsgraderna i omloppsbanan råder under perioder ungefär 100 gånger längre än informationen som lagras i elektronens andra vinkelmomentkanal – spinnfrihetsgraden. Upptäckten markerar ett viktigt steg mot databehandling med THz-hastigheter och låg energiförlust i orbitroniska enheter.
"Vår metod att generera och mäta orbitala vinkelmomentströmmar möjliggör en direkt tidsdomänobservation av deras fortplantnings- och avslappningsdynamik med femtosekundsupplösning", säger Tom S. Seifert, första författare till studien och projektledare i Terahertz Physics Research Group vid Freie Universität Berlin, som ledde studien.
I sitt arbete använde forskarna femtosekundlaserpulser för att excitera ultrasnabba orbitala vinkelmomentströmmar i Ni|W tunnfilmsstaplar och mätte de utsända terahertz-elektromagnetiska pulserna. Denna information gjorde det möjligt för dem att rekonstruera flödet av det orbitala vinkelmomentet genom volfram som en funktion av tiden med femtosekundsprecision.
"Vi fann att orbitala vinkelmomentströmmar i volfram färdas med låga hastigheter men når mycket långt", säger Dongwook Go, andra författare till studien och teoretisk fysiker vid Peter-Grünberg-Institutet i Jülich. Sådant oväntat beteende reproducerades också av ab-initio-simuleringar som avslöjade den avgörande roll som volframbakytan har för effektiv omvandling av orbital-till-laddning-ström.
Den här studien belyser kraften hos bredbands-terahertz-emissionsspektroskopi för att distrahera spinn och orbital vinkelmomenttransport samt Hall-liknande och Rashba-Edelstein-liknande omvandlingsprocesser baserat på deras olika dynamik.
Seifert och medarbetare finner att Ni är en bra källa för rörelsemängdsrörelser, medan W är en bra krets-till-laddning-omvandlare. Dessa resultat är ett viktigt steg mot identifieringen av ideala källor och detektorer för orbitala vinkelmomentströmmar, som kommer att dra stor nytta av exakta teoretiska förutsägelser.
"På lång sikt kan terahertz-strömmar av orbital vinkelmomentum möjliggöra ultrasnabb databehandling med låg förlust, ett långvarigt mål för framtida teknologi", säger Tom S. Seifert.
Mer information: Tom S. Seifert et al, Tidsdomänobservation av ballistiska orbital-vinkelmomentströmmar med gigantisk relaxationslängd i volfram, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01470-8
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Free University of Berlin
