От электроники к спинтронике, а теперь и к орбитронике: в классической электронике в первую очередь важен заряд электрона. В современных подходах, таких как квантовые вычисления и спинтроника, акцент сместился на спин электрона. Теперь в центре внимания оказывается еще одно свойство: орбитальный угловой момент (OAM). Простыми словами, OAM описывает, как электрон движется внутри атома - не по классической орбите, а как квантово-механическое распределение внутри орбиты.

"В течение десятилетий спин считался ключевым параметром для новых технологий, основанных на квантах. Но орбитальный угловой момент также обладает большим потенциалом в качестве носителя информации - и значительно более надежен", - объясняет доктор Кристиан Туше из Института Петера Грюнберга (PGI-6) в Исследовательском центре Юлиха. Физик является одним из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале Advanced Materials.

Орбитальный угловой момент - это одно из фундаментальных квантовых чисел электрона, аналогичное вращению, которое описывает кажущееся вращение электрона. Однако OAM редко наблюдается в кристаллах. Обычно он подавляется симметричными электрическими и магнитными полями в кристаллической решетке - эффект, известный как "тушение".

В так называемых хиральных материалах, таких как изученный силицид кобальта (CoSi), все по-другому, как теперь смогла показать команда, возглавляемая Кристианом Туше, совместно с партнерами из Тайваня, Японии, Италии, США и Германии. Слово "хиральный" происходит от древнегреческого "cheir", что означает "рука". "Эти кристаллические структуры лишены зеркальной симметрии и являются либо левосторонними, либо правосторонними - точно так же, как человеческая рука. Вы можете перевернуть их, и они останутся зеркальным отражением друг друга", - объясняет доктор Туше. Хиральность часто встречается в природе. Молекулы сахара, аминокислоты и ДНК - все они обладают хиральными структурами.

Используя импульсную микроскопию высокого разрешения и свет с круговой поляризацией, исследователи впервые смогли определить орбитальный угловой момент в хиральном полупроводнике - как внутри кристалла, так и на его поверхности. Для измерений они использовали импульсный микроскоп NanoESCA, которым управляет Forschungszentrum Jülich на синхротроне Elettra в Триесте, Италия. Они обнаружили, что расположение кристалла - левостороннее или правостороннее - предсказуемо влияет на орбитальный угловой момент электронов.

Новая связь между кристаллической структурой и электроном

"Наши результаты показывают, что структура кристалла напрямую влияет на угловой момент электронов - эффект, который мы смогли измерить непосредственно. Это открывает совершенно новые возможности для исследования материалов и обработки информации", - подчеркивает физик-экспериментатор из Юлиха доктор Ин-Цзюнь Чен.

Доктор Донгвук Го, физик-теоретик из Института Питера Грюнберга (PGI-1) в Юлихе, добавляет: "Открытие особенно важно для развивающейся области орбитроники, которая использует орбитальный угловой момент в качестве носителя информации для следующего поколения квантовых технологий".

Характерной особенностью результирующей текстуры орбитального углового момента являются по-разному сформированные дуги Ферми: открытые дугообразные структуры, которые становятся видимыми в так называемых представлениях импульсного пространства, генерируемых с помощью импульсной микроскопии. Это открывает новые перспективы для приложений: в будущем информация может передаваться и храниться не только через заряд или спин электронов, но и через направление и ориентацию их орбитального углового момента. Таким образом, эта так называемая орбитроника - электроника, основанная на свойствах орбиты, - могла бы стать основой для нового класса электронных устройств.

Потенциал для различных применений

ЕС финансирует разработку этой технологии будущего в рамках проекта EIC Pathfinder OBELIX, в рамках которого проф. Юрий Мокроусов из Майнцского университета также участвует в проекте. Физик-теоретик также является руководителем группы в Институте Петера Грюнберга (PGI-1) в Юлихе и внес вклад в создание фундаментальных теоретических моделей для недавнего открытия.

Профессор. Клаус Михаэль Шнайдер также видит большие перспективы: "Например, представляется возможным использовать орбитальный угловой момент в качестве носителя информации. Или можно было бы использовать свет с круговой поляризацией, чтобы избирательно влиять на хиральность кристалла, позволяя использовать немеханический переключатель, управляемый светом, в качестве альтернативы транзистору. Кроме того, связь между орбитальным моментом импульса и вращением может позволить интегрировать в существующие концепции спинтроники - например, в гибридные квантовые устройства", - говорит директор Института электронных свойств Питера Грюнберга (PGI-6) в Исследовательском центре Юлиха.