При розробці електронних пристроїв вчені шукають способи маніпулювати і контролювати три основні властивості електронів: їх заряд; їх спинові стани, які породжують магнетизм; і форми нечітких хмар, які вони формують навколо ядер атомів, які відомі як орбіталі.
Досі вважалося, що електронні обертання та орбіталі йдуть рука об руку в класі матеріалів, які є наріжним каменем сучасних інформаційних технологій; ви не можете швидко змінити одне без зміни іншого.
Але дослідження, проведене в Національній прискорювальній лабораторії SLAC показує, що імпульс лазерного світла може різко змінити стан обертання одного важливого класу матеріалів, залишаючи його орбітальний стан без змін.
Результати пропонують новий шлях для створення логічних пристроїв і пристроїв пам'яті майбутнього покоління на основі «орбітроніки», говорить Лінджія Шен, науковий співробітник SLAC і один з провідних авторів дослідження.
«Те, що ми бачимо в цій системі, є повною протилежністю тому, що люди бачили в минулому», - сказав Шен. «Це підвищує ймовірність того, що ми могли б окремо керувати обертанням і орбітальними станами і використовувати варіації форми орбіталів в якості нулів і одиниць, необхідних для обчислень і зберігання інформації в комп'ютерній пам'яті».
Матеріал, який вивчала команда, був квантовим матеріалом на основі оксиду марганцю, відомим як NSMO, який поставляється в надзвичайно тонких кристалічних шарах. Він існує вже три десятиліття і використовується в пристроях, де інформація зберігається за допомогою магнітного поля для перемикання з одного спинового стану електрона в інше - метод, відомий як спинтроніка.
NSMO також вважається перспективним кандидатом для створення майбутніх комп'ютерів і запам'ятовуючих пристроїв на основі скірміонів - крихітних вихорів, схожих на частинки, створюваних магнітними полями обертових електронів. Але такий матеріал дуже складний.
«На відміну від напівпровідників та інших відомих матеріалів, NSMO - це квантовий матеріал, електрони якого поводяться кооперативним або корельованим чином, а не незалежно, як вони зазвичай роблять», - кажуть вчені. - Це ускладнює управління одним аспектом поведінки електронів, не зачіпаючи всіх інших ".
Один з поширених способів дослідити цей тип матеріалу - вдарити по ньому лазерним променем, щоб побачити, як його електронні стани реагують на ін'єкцію енергії. Саме це і зробила дослідницька група. Вони спостерігали реакцію матеріалу на рентгенівські лазерні імпульси від джерела когерентного світла SLAC Linac (LCLS).
Вони очікували побачити, що впорядковані структури електронних спинів і орбіталів в матеріалі будуть повністю зруйновані або «розплавлені», оскільки вони поглинають імпульси лазерного випромінювання ближнього інфрачервоного діапазону.
Але на їхній подив, тільки моделі обертання розплавилися, а орбітальні залишилися недоторканими. Нормальний зв'язок між спиновим і орбітальним станами був повністю порушений, що є складним завданням для такого типу корельованого матеріалу і раніше не спостерігалося.
"Зазвичай тільки крихітне застосування фотовізначення руйнує все. Тут ми змогли зберегти найбільш важливий для майбутніх пристроїв електронний стан - орбітальний стан, неушкодженим. Це чудове нове доповнення до науки про орбітронік і корельовані електрони ".
Подібно до того, як у спинтроніці перемикаються спинові стани електронів, орбітальні стани електронів можуть бути перемкнені для забезпечення аналогічної функції. Ці орбітронні пристрої теоретично могли б працювати на 10 000 швидше, ніж спинтронні пристрої.
Перемикання між двома орбітальними станами можна було б зробити можливим, використовуючи короткі сплески терагерцевого випромінювання, а не магнітні поля, що використовуються сьогодні. Об'єднання цих двох станів може забезпечити набагато кращу продуктивність пристрою для майбутніх застосувань.