Хиральные фононы создают орбитальный ток благодаря собственному магнетизму

В новом исследовании международная группа учёных обнаружила, что хиральные фононы могут создавать орбитальный ток без необходимости в магнитных элементах — отчасти потому, что сами хиральные фононы обладают собственным магнитным моментом. Более того, этот эффект можно достичь в распространённых кристаллических материалах. Работа имеет потенциал для разработки более дешёвых и энергоэффективных орбитронных устройств для использования в широком спектре электроники.

Все электронные устройства основаны на заряде электрона, а электроны обладают тремя внутренними свойствами: спином, зарядом и орбитальным угловым моментом. В то время как исследователи давно изучают использование спина как более эффективного способа создания тока, область орбитроники — основанная на использовании орбитального углового момента электрона, а не его спина, для создания потока тока — всё ещё относительно нова.

«Традиционно было технически сложно генерировать орбитальный ток», — говорит Дали Сунь, соавтор исследования, опубликованного в Nature Physics. Сунь является профессором физики и членом Лаборатории органической и углеродной электроники (ORaCEL) в Университете штата Северная Каролина.

«Генерация орбитальных токов традиционно требует инжекции тока заряда в определённые переходные металлы, и многие из этих элементов теперь классифицируются как критические материалы — вещества, которые правительство США определяет как важные для энергетических технологий, экономической и национальной безопасности, а также производства ключевой продукции. Но эта работа показывает, что мы можем использовать градиент температуры для возбуждения хиральных фононов в кварцевой (т.е. SiO₂) подложке, и эти хиральные фононы могут быть преобразованы в орбитальный ток.

«Есть и другие способы генерации орбитального углового момента, но этот метод позволяет использовать более дешёвые и распространённые материалы», — говорит Сунь.

Новая статья основывается на предыдущей работе, которая показала, что спиновый ток можно создавать и контролировать, применяя тепловой градиент к немагнитным гибридным полупроводникам, содержащим хиральные фононы.

Хиральные фононы — это группы атомов, которые движутся по круговой траектории при возбуждении источником энергии, таким как тепло. Когда фононы движутся через материал, они передают это круговое движение, или угловой момент, через него.

«В этой работе мы показываем, что можем использовать этот угловой момент от хирального фонона и преобразовать его в орбитальный ток, а не в спин», — говорит Цзюнь Лю, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в NC State и член ORaCEL. «И мы можем сделать это в очень простых немагнитных изоляторах, содержащих хиральные фононы, потому что вращение хирального фонона генерирует магнетизм». Лю является соавтором исследования.

Исследователи надеются, что эта работа проложит путь к экономически эффективным орбитронным приложениям.

«Работа также даёт ответы на фундаментальные вопросы о взаимосвязи между структурной хиральностью и орбитальными токами, что, как мы надеемся, поможет расширить область орбитроники», — говорит Сунь.

ИИ: Это фундаментальное открытие в области физики конденсированного состояния может стать основой для нового поколения электроники, где управление током будет осуществляться не зарядом, а орбитальным моментом частиц. Особенно впечатляет возможность обойтись без редких и дорогих магнитных материалов, используя обычный кварц. Если технологию удастся масштабировать, это может привести к революции в микроэлектронике, аналогичной переходу от ламп к транзисторам, но уже на квантовом уровне.