Új utak: az orbitronika születése
A növekvő adatigények miatt a kutatók a kvantumvilágban keresik a továbbfejlődés lehetőségét. Az orbitronika egyik nagy ígérete, hogy az elektronok atommag körüli pályáját, azaz orbitális impulzusmomentumát használja információhordozásra és -tárolásra. Eddig ezt jellemzően nehéz, drága és nehezen skálázható mágneses anyagok – mint például a vas – segítségével oldották meg. Az új áttörés viszont egyszerűbb: most először sikerült kimutatni, hogy a királis fononok közvetlenül át tudják adni az orbitális impulzusmomentumot az elektronoknak.
Királis fononok – furcsa rezgések, szokatlan lehetőségek
A szilárd anyagok atomjai rácsba rendeződnek, ahol helyzetüknél fogva folyton rezegnek. A legtöbb anyagban a rácsszerkezet szimmetrikus, de vannak úgynevezett királis anyagok is – például a kvarc –, ahol az atomok spirálisan, csavarodva rendeződnek el. Ez a csavartság a kéz bal- vagy jobbkezességéhez hasonlítható, egyik sem helyettesítheti tükörképét. Amikor ezek az anyagok rezegnek, mozgásuk körkörös: a királis rezgési hullám, azaz királis fonon, nemcsak energiát, hanem impulzusmomentumot is hordoz, amit az elektronok fel tudnak venni.
Kvarc: mágnes nélküli mágneses hatások
Az elektronok mozgását általában mágneses térrel irányítják, de a kvarc új lehetőségeket rejt. Ez az alacsony tömegű, olcsó ásvány a királis fononjaival belső mágneses hatásokat generál, anélkül, hogy maga mágneses anyag lenne. A Utahi Egyetem kutatói lézerekkel vizsgálták a kvarcot: a visszavert fény hullámhossz-eltolódását figyelték, és elsőként mutatták ki mérhető mágneses teret a királis fononok révén. A következmények messzire mutatóak lehetnek, hiszen ha a mágnesesség újraértelmezhető, az teljesen új utat nyit az elektronika és adattárolás számára.
A fononok rendezése és az „orbitális Seebeck-hatás”
Általában a fononok kevert bal- és jobbkezes állapotban vannak jelen. A kutatók α-kvarcot alkalmaztak, amely természeténél fogva királis. Külső mágneses térrel sikerült „rendezni” ezeket a fononokat, és az így létrejött közös mozgás átadódott az elektronoknak – sőt, a mágneses tér megszűnése után is fennmaradt! Ezt a jelenséget orbitális Seebeck-hatásnak keresztelték el, analógiaként az ismert spin Seebeck-hatás után. Az orbitális mozgásból elvont jelet a tudósok fémrétegek (volfrám, titán) segítségével elektromos jellé alakították, így közvetlenül mérhetővé vált az újfajta energiaátadás.
Hatékonyabb elektronikai eszközök előtt nyílik meg az út
Ez a módszer nemcsak kvarcra alkalmazható, hanem például tellúrra, szelénre vagy hibrid szerves–szervetlen perovszkit anyagokra is. Mivel kevesebb alapanyagot igényel, az orbitális mozgás tartósabban fennmarad, ezzel gyorsabb, energiatakarékosabb jövőbeli eszközök fejlesztését ígéri. Ahogyan a korábbi felfedezések is beköltöztek a hétköznapokba, az új megközelítés mindent megváltoztathat, a lehetőségek pedig szinte végtelenek.
