С ростом вычислительных потребностей учёные ищут новые способы обработки больших объёмов данных, обращаясь к квантовым технологиям. Одним из перспективных направлений является орбитроника — область, изучающая использование орбитального углового момента электронов для более эффективной передачи и хранения информации. Традиционно для управления этим движением требовались магнитные материалы вроде железа, которые отличаются высокой стоимостью, большим весом и сложностью масштабирования для практического применения.
Новое исследование предлагает гораздо более простой подход к генерации орбитального движения электронов, устраняя ключевое ограничение, долгое время сдерживавшее развитие орбитроники. Секрет заключается в использовании киральных фононов — коллективных колебаний атомов в материалах со спиральной структурой. Учёные впервые продемонстрировали, что эти фононы могут напрямую передавать орбитальный угловой момент электронам в немагнитных материалах, что позволяет применять более дешёвые и доступные вещества.
Исследование, проведённое под руководством Университета Северной Каролины при участии Университета Юты и других институтов, было опубликовано в журнале Nature Physics. Как объяснил соавтор работы Вале Вардени, новый метод исключает необходимость в магнитах, батареях или напряжении — достаточно материала с киральными фононами. Это открытие, ранее казавшееся невозможным, фактически создаёт новую научную область.
Метод основан на особенностях атомного строения и движения в киральных материалах, таких как кварц. В отличие от симметричных структур, атомы в этих материалах расположены по спирали с лево- или правосторонним "закручиванием", подобно человеческим рукам. Колебания атомов в такой структуре приобретают круговой характер, образуя киральные фононы, которые несут угловой момент и могут передавать его электронам.
Учёные использовали α-кварц — лёгкий и недорогой кристалл с естественной киральной структурой. Применяя магнитное поле для выравнивания фононов, они добились передачи их коллективного движения электронам, создав поток орбитального углового момента, который сохранялся даже после отключения поля. Этот феномен, названный орбитальным эффектом Зеебека, представляет собой более сложное явление, чем классический эффект Зеебека, связанный с генерацией напряжения из-за разницы температур. Орбитальный эффект учитывает орбитальное движение электронов и может приводить к новым термоэлектрическим свойствам, таким как усиленная генерация тока. Он был обнаружен путём нанесения металлических слоёв на кварц и преобразования скрытого движения в измеримый электрический сигнал.
Подход не ограничивается кварцем и может применяться к другим киральным материалам, включая теллур, селен и гибридные перовскиты. Последние, обладая кристаллической структурой перовскита с органическими и неорганическими компонентами, считаются перспективными благодаря выдающимся оптическим и электронным свойствам, высокой эффективности поглощения света и относительной простоте производства, что делает их пригодными для солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств. По сравнению с существующими методами новый подход требует меньше компонентов, обеспечивает более длительное сохранение орбитального движения и предлагает уникальное сочетание простоты, эффективности и масштабируемости. Это открытие прокладывает путь к созданию более быстрых и энергоэффективных устройств будущего.
Источник: Scientists just found a way to control electrons without magnets