Ces formes de ballon et de disque représentent une orbitale électronique - un nuage d'électrons flou autour du noyau d'un atome - dans deux orientations différentes. Les scientifiques espèrent un jour utiliser les variations dans les orientations des orbitales comme les 0 et les 1 nécessaires pour effectuer des calculs et stocker des informations dans des mémoires informatiques, un système connu sous le nom d'orbitronique. Une étude du SLAC montre qu'il est possible de séparer ces orientations orbitales des modèles de spin des électrons, une étape clé pour les contrôler de manière autonome dans une classe de matériaux qui est la pierre angulaire des technologies de l'information modernes. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Dans la conception d'appareils électroniques, les scientifiques cherchent des moyens de manipuler et de contrôler trois propriétés fondamentales des électrons :leur charge; leurs états de spin, qui donnent naissance au magnétisme; et les formes des nuages flous qu'ils forment autour des noyaux des atomes, qui sont appelés orbitales.
Jusqu'à maintenant, On pensait que les spins et les orbitales des électrons allaient de pair dans une classe de matériaux qui est la pierre angulaire de la technologie de l'information moderne ; vous ne pouviez pas changer rapidement l'un sans changer l'autre. Mais une étude du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie montre qu'une impulsion de lumière laser peut modifier considérablement l'état de spin d'une classe importante de matériaux tout en laissant son état orbital intact.
Les résultats suggèrent une nouvelle voie pour créer une future génération de dispositifs logiques et de mémoire basés sur « l'orbitronique, " dit Lingjia Shen, un associé de recherche du SLAC et l'un des chercheurs principaux de l'étude.
"Ce que nous voyons dans ce système est tout le contraire de ce que les gens ont vu dans le passé, " a déclaré Shen. " Cela soulève la possibilité que nous puissions contrôler séparément le spin et les états orbitaux d'un matériau, et utiliser des variations dans la forme des orbitales comme les 0 et les 1 nécessaires pour effectuer des calculs et stocker des informations dans des mémoires informatiques. »
L'équipe de recherche internationale, dirigé par Joshua Turner, un scientifique et chercheur du personnel du SLAC au Stanford Institute for Materials and Energy Science (SIMES), ont rendu compte de leurs résultats cette semaine en Examen physique B Communications rapides .
Une intrigante, matériau complexe
Le matériau étudié par l'équipe était un matériau quantique à base d'oxyde de manganèse connu sous le nom de NSMO, qui se présente sous forme de couches cristallines extrêmement minces. Il existe depuis trois décennies et est utilisé dans des appareils où les informations sont stockées en utilisant un champ magnétique pour passer d'un état de spin électronique à un autre, une méthode connue sous le nom de spintronique. NSMO est également considéré comme un candidat prometteur pour la fabrication de futurs ordinateurs et dispositifs de stockage de mémoire basés sur des skyrmions, de minuscules vortex semblables à des particules créés par les champs magnétiques des électrons en rotation.
Mais ce matériau est aussi très complexe, dit Yoshinori Tokura, directeur du RIKEN Center for Emergent Matter Science au Japon, qui a également participé à l'étude.
Dans les expériences SLAC, les scientifiques ont frappé un matériau quantique avec des impulsions de lumière laser (en haut) pour voir comment cela affecterait les motifs en zigzag (au milieu) dans son réseau atomique constitué par les directions de rotation des électrons (flèches noires) et les orientations des orbitales électroniques (formes de ballons rouges) . Ils ont été surpris de découvrir que les impulsions perturbaient les schémas de spin tout en laissant les schémas orbitaux intacts (en bas). Cela soulève la possibilité que les états de rotation et d'orbite puissent être contrôlés indépendamment pour fabriquer des appareils électroniques beaucoup plus rapides. Crédit :Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
"Contrairement aux semi-conducteurs et à d'autres matériaux familiers, NSMO est un matériau quantique dont les électrons se comportent en coopérative, ou corrélées, manière, plutôt que de manière indépendante comme ils le font habituellement, " a-t-il dit. " Cela rend difficile le contrôle d'un aspect du comportement des électrons sans affecter tous les autres. "
Une façon courante d'étudier ce type de matériau consiste à le frapper avec une lumière laser pour voir comment ses états électroniques réagissent à une injection d'énergie. C'est ce que l'équipe de recherche a fait ici. Ils ont observé la réponse du matériau avec des impulsions laser à rayons X provenant de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC.
On fond, l'autre non
Ce qu'ils s'attendaient à voir, c'est que les modèles ordonnés de spins électroniques et d'orbitales dans le matériau seraient jetés dans un désordre total, ou "fondu, " car ils ont absorbé des impulsions de lumière laser proche infrarouge.
Mais à leur grande surprise, seuls les motifs de rotation ont fondu, tandis que les modèles orbitaux sont restés intacts, dit Turner. Le couplage normal entre les états de spin et d'orbite avait été complètement rompu, il a dit, ce qui est une chose difficile à faire dans ce type de matériel corrélé et n'avait pas été observé auparavant.
Tokura a dit, "Habituellement, seule une infime application de photoexcitation détruit tout. Ici, ils ont pu maintenir intact l'état électronique qui est le plus important pour les futurs appareils, l'état orbital. C'est un bel ajout à la science de l'orbitronique et des électrons corrélés."
Tout comme les états de spin des électrons sont commutés en spintronique, les états orbitaux des électrons pourraient être commutés pour fournir une fonction similaire. Ces dispositifs orbitroniques pourraient, en théorie, exploiter 10, 000 plus rapide que les appareils spintroniques, dit Shen.
La commutation entre deux états orbitaux pourrait être rendue possible en utilisant de courtes rafales de rayonnement térahertz, plutôt que les champs magnétiques utilisés aujourd'hui, il a déclaré :« La combinaison des deux pourrait permettre d'obtenir de bien meilleures performances de l'appareil pour les applications futures. » L'équipe travaille sur les moyens de le faire.
