Credits: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Vedere il contrario di quanto si conosceva

Nel progettare dispositivi elettronici, gli scienziati cercano modi per manipolare e controllare tre proprietà di base degli elettroni: la loro carica, i loro stati di spin che danno origine al magnetismo e le forme delle nuvole fuzzy che formano intorno ai nuclei degli atomi, conosciuti come orbitali.

Fino ad ora, si pensava che spin e orbitali di elettroni andassero di pari passo in una classe di materiali che è la pietra angolare della moderna tecnologia dell’informazione; non puoi cambiarne rapidamente uno senza cambiare l’altro. Ma uno studio presso il National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia mostra che un impulso di luce laser può cambiare drasticamente lo stato di spin di un’importante classe di materiali lasciando intatto il suo stato orbitale.

I risultati suggeriscono un nuovo percorso per la realizzazione di una futura generazione di dispositivi logici e di memoria basati su “orbitronici”, ha affermato Lingjia Shen, associata alla ricerca SLAC e uno dei principali ricercatori per lo studio.

Ciò che stiamo vedendo in questo sistema è l’esatto contrario di ciò che le persone hanno visto in passato“, ha detto Shen. “Aumentano le possibilità di poter controllare separatamente lo spin e gli stati orbitali di un materiale e utilizzare le variazioni nelle forme di orbitali come 0 e 1 necessari per eseguire calcoli e memorizzare informazioni nelle memorie dei computer”.

Il team di ricerca internazionale, guidato da Joshua Turner, scienziato dello SLAC e investigatore dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), ha riportato i risultati su Physical Review B Rapid Communications.

Queste forme a palloncino e disco rappresentano un orbitale di elettroni – una nuvola di elettroni fuzzy attorno al nucleo di un atomo – in due diversi orientamenti. Gli scienziati sperano un giorno di utilizzare le variazioni negli orientamenti degli orbitali poiché gli 0 e 1 sono necessari per effettuare calcoli e memorizzare informazioni nelle memorie dei computer, un sistema noto come orbitronici. Uno studio SLAC mostra che è possibile separare questi orientamenti orbitali dai modelli di spin degli elettroni, un passo fondamentale per controllarli indipendentemente in una classe di materiali che è la pietra angolare della moderna tecnologia dell’informazione. (Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory).

Un materiale intrigante e complesso

Il materiale studiato dal team era un materiale quantistico a base di ossido di manganese, noto come NSMO, che si presenta in strati cristallini estremamente sottili. È in circolazione da tre decenni e viene utilizzato in dispositivi in ​​cui le informazioni vengono archiviate utilizzando un campo magnetico per passare da uno stato di spin elettronico a un altro, un metodo noto come spintronica. NSMO è anche considerato un candidato promettente per realizzare futuri computer e dispositivi di memoria basati su skyrmions, piccoli vortici simili a particelle creati dai campi magnetici degli elettroni rotanti.

Ma questo materiale è anche molto complesso, ha affermato Yoshinori Tokura, direttore del RIKEN Center for Emergent Matter Science in Giappone, che è stato anche coinvolto nello studio.

A differenza dei semiconduttori e di altri materiali simili, NSMO è un materiale quantistico i cui elettroni si comportano in modo cooperativo o correlato, piuttosto che in modo indipendente come di solito“, ha detto. “Questo rende difficile controllare un aspetto del comportamento degli elettroni senza influenzare tutti gli altri“.

Un modo comune per studiare questo tipo di materiale è colpirlo con la luce laser per vedere come i suoi stati elettronici rispondono a un’iniezione di energia. Questo è ciò che il team di ricerca ha fatto qui. Hanno osservato la risposta del materiale con impulsi laser a raggi X della Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC.

Uno si scioglie, l’altro no

Quello che si aspettavano di vedere era che schemi ordinati di spin e orbitali di elettroni nel materiale sarebbero stati gettati nello scompiglio totale, o “fusi, sciolti”, mentre assorbivano impulsi di luce laser nel vicino infrarosso.

Ma con loro sorpresa, solo gli schemi di rotazione si sono fusi, mentre gli schemi orbitali sono rimasti intatti, ha detto Turner. Il normale accoppiamento tra lo spin e gli stati orbitali era stato completamente rotto, ha detto, il che è una cosa difficile da fare in questo tipo di materiale correlato e non era mai stato osservato prima.  

Negli esperimenti SLAC, gli scienziati hanno colpito un materiale quantistico con impulsi di luce laser (in alto) per vedere come ciò avrebbe influenzato i modelli a zigzag (al centro) nel suo reticolo atomico fatto dalle direzioni di rotazione degli elettroni (frecce nere) e dagli orientamenti degli orbitali di elettroni ( forme di palloncini rossi). Sono rimasti sorpresi nello scoprire che gli impulsi hanno interrotto i modelli di rotazione lasciando intatti i modelli orbitali (in basso). Ciò solleva la possibilità che gli stati di spin e orbitali possano essere controllati in modo indipendente per rendere i dispositivi elettronici molto più veloci. (Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Tokura ha detto: “Solitamente solo una piccola applicazione di fotoeccitazione distrugge tutto. Qui, sono stati in grado di mantenere intatto lo stato elettronico che è più importante per i dispositivi futuri. Questa è una bella aggiunta alla scienza dell’orbitronica e degli elettroni correlati“.

10.000 volte più veloci

Proprio come gli stati di spin elettronico sono commutati in spintronica, gli stati orbitali elettronici potrebbero essere commutati per fornire una funzione simile. Questi dispositivi orbitronici potrebbero, in teoria, operare 10.000 volte più velocemente dei dispositivi spintronici, ha detto Shen.

Il passaggio tra due stati orbitali potrebbe essere reso possibile utilizzando brevi raffiche di radiazioni terahertz, piuttosto che i campi magnetici utilizzati oggi, ha affermato: “La combinazione dei due potrebbe ottenere prestazioni del dispositivo molto migliori per le applicazioni future“. Il team sta lavorando sul come farlo.

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