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科学家打破了量子材料的自旋与轨道状态之间的联系

2020-05-19


△这些气球和圆盘形状代表两个不同方向的电子轨道-围绕原子核的模糊电子云。科学家希望有朝一日使用轨道方向的变化作为进行计算并将信息存储在计算机内存中所需的0和1,该系统称为Orbitronics。SLAC的一项研究表明,可以将这些轨道方向与电子自旋模式分开,这是在现代信息技术基础上的一类材料中独立控制它们的关键步骤。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室


在设计电子设备时,科学家寻找操纵和控制电子的三个基本特性的方法:电子的电荷;电子的电荷。它们的自旋状态会引起磁性;以及模糊云的形状围绕原子核形成,这些原子被称为轨道。


直到现在,人们仍认为电子自旋和轨道与现代信息技术的基石-材料-齐头并进。您不能不更改另一个就快速更改一个。但是,能源部SLAC国家加速器实验室的一项研究表明,激光脉冲可以显着改变一种重要材料的自旋状态,同时保持其轨道状态不变。


SLAC研究助理,该研究的主要研究人员之一沈凌佳说,这些结果为制造基于“ orbitronics”的下一代逻辑和存储设备开辟了一条新途径。


“我们在这个系统中看到的与人们过去看到的完全相反,”沉说。“这增加了我们可以分别控制材料的自旋和轨道状态,并使用轨道形状的变化作为进行计算并将信息存储在计算机内存中所需的0和1的可能性。”


由斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的SLAC研究人员和研究员Joshua Turner领导的国际研究小组本周在《物理评论B快速通信》中报告了他们的研究结果。


有趣的,复杂的材料


研究小组研究的材料是一种基于氧化锰的量子材料,称为NSMO,它具有极薄的结晶层。它已经存在了三十年,并用于通过使用磁场将信息从一种电子自旋状态切换到另一种电子自旋状态(一种称为自旋电子学)的方法来存储信息的设备中。NSMO也被认为是制造未来基于天体离子的计算机和存储设备的有前途的候选者,天体离子是由旋转电子的磁场产生的微小颗粒状涡旋。


RIKEN日本紧急物质科学中心主任Yoshinori Tokura表示,但是这种材料也非常复杂。



△在SLAC实验中,科学家用激光脉冲(顶部)击中一种量子材料,以了解这将如何影响由电子的自旋方向(黑色箭头)和电子轨道的方向(红色气球形状)。他们惊讶地发现脉冲破坏了自旋模式,同时保持了完整的轨道模式(底部)。这就增加了自旋和轨道状态可以独立控制以制造更快电子设备的可能性。图片来源:Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室


他说:“与半导体和其他熟悉的材料不同,NSMO是一种量子材料,其电子以协同或相关的方式表现,而不是像通常那样独立地表现。” “这使得很难控制电子行为的一个方面而不影响其他所有方面。


研究这种材料的一种常见方法是用激光照射它,以查看其电子状态如何响应能量的注入。这就是研究团队在这里所做的。他们观察了SLAC直线加速器相干光源(LCLS)的X射线激光脉冲对材料的响应。


一个融化,另一个不融化


他们期望看到的是,材料吸收了近红外激光脉冲时,材料中电子自旋和轨道的有序排列会完全混乱或“熔化” 。


特纳说,但令他们惊讶的是,只有自旋模式融化了,而轨道模式却保持完整。他说,自旋和轨道状态之间的正常耦合已被完全破坏,这对于这种类型的相关材料而言是一项具有挑战性的工作,并且以前从未被观察到。


Tokura说:“通常只有很小的光激发作用会破坏一切。在这里,它们能够保持对未来设备最重要的电子状态-轨道状态-不受损害。这是对生物电子学和光学学的一个很好的新补充相关电子。


就像在自旋电子学中切换电子自旋状态一样,可以切换电子轨道状态以提供类似的功能。从理论上讲,这些自旋电子器件的运行速度比自旋电子器件快10,000倍。


他说,通过使用太赫兹辐射的短脉冲而不是当今使用的磁场,可以在两个轨道状态之间进行切换。


他说:“将两者结合在一起可以为未来的应用提供更好的设备性能。” 团队正在研究实现这一目标的方法。


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