Акустичні хвилі можуть бути ключем до орбітронних пристроїв

Електроніка традиційно спирається на використання заряду електрона, але зараз дослідники вивчають можливість використання інших його властивостей. У дослідженні Nature Communications вчені з Японії продемонстрували, що звукові хвилі в певних твердих тілах можуть генерувати орбітальні струми — потік орбітального кутового моменту електрона.

Їхні висновки закладають основу для реалізації «орбітронних» пристроїв наступного покоління з використанням існуючих акустичних технологій.

З моменту відкриття електрики незліченні досягнення в технологіях спиралися на використання заряду електрона, що є фундаментальним принципом, що лежить в основі більшості традиційної електроніки.

Тепер, коли звичайні електронні пристрої наближаються до своїх практичних меж, вчені звертають свою увагу на маніпулювання іншими властивостями електрона. Наприклад, використання спіну електрона в галузі спінтроніки обіцяє низькоенергетичні обчислення завдяки використанню спінових струмів для передачі інформації.

Існує ще одна невикористана властивість електронів, а саме їхній орбітальний кутовий момент. Ця властивість є основою «орбітроніки» – нового напрямку досліджень, що прагне використовувати потік орбітального кутового моменту (орбітальних струмів) як нове середовище для передачі інформації та функціональності пристроїв.

Незважаючи на потенціал орбітроніки, існує небагато практичних та масштабованих способів генерації та керування цими орбітальними струмами, а механізми їх генерації залишаються недостатньо вивченими. Чи можуть звукові хвилі бути ключем до їх створення та керування?

Щоб відповісти на це питання, вчені з Японії досліджували акустичну генерацію орбітальних струмів.

Дослідження очолювали докторантка Марі Танігучі (Mari Taniguchi) та професор Казуя Андо (Kazuya Ando), Японія. У своїй статті в Nature Communications досліджують два нових фізичних явища — акустичний орбітальний ефект Холла та акустичне орбітальне накачування — які разом створюють основу для інтеграції звукових технологій з орбітальною фізикою.

Експерименти були зосереджені на двошарових титанових (Ti)/нікелевих (Ni) матеріалах, відомих своєю стійкою орбітальною реакцією. Команда виготовила пристрої Ti/Ni на спеціальній підкладці та використала поверхневі акустичні хвилі (Surface Acoustic Waves - SAW), звукові хвилі, обмежені поверхнею матеріалу, для збудження динаміки його решітки.

Використання Ti було ключовим; оскільки він має дуже слабкий спін-орбітальний зв'язок, будь-який спостережуваний сигнал можна було впевнено віднести до орбітального ступеня свободи, а не до спінових ефектів. Метою було побачити, чи може механічна вібрація решітки передавати свій кутовий момент на орбіталі електронів.

Дослідники успішно спостерігали генерацію орбітальних струмів за допомогою двох різних акустичних механізмів.

По-перше, вони продемонстрували акустичне орбітальне накачування, де акустичний феромагнітний резонанс, керований SAW (резонансна прецесія намагніченості), вводив орбітальний струм з шару Ni в шар Ti.

По-друге, вони підтвердили генерацію акустичного орбітального ефекту Холла. Вимірюючи постійну напругу, що генерується нерезонансним SAW, вони показали, що звукова хвиля, що поширюється в одному напрямку, генерує орбітальний струм, що протікає перпендикулярно до неї. Це продемонструвало, що динаміка решітки вздовж поверхні матеріалу є прямим та ефективним джерелом орбітального струму.

Завдяки систематичним вимірюванням та порівнянню з контрольними зразками дослідники підтвердили, що спостережуваний сигнал напруги був значно більшим, ніж будь-що, що можна було б пояснити спіновим ефектом Холла. Це остаточно довело домінування орбітального механізму, підтверджуючи їхній висновок.

Відкривайте для себе останні новини науки, технологій та космосу з понад 100 000 підписниками, які покладаються на Phys.org для щоденної аналітики. Підпишіться на нашу безкоштовну розсилку та отримуйте оновлення про важливі прориви, інновації та дослідження — щодня або щотижня.

У сукупності ці висновки являють собою ключовий концептуальний прорив, як зазначає професор Андо: «З моменту відкриття орбітального струму лише кілька років тому механізми його генерації залишалися значною мірою невивченими. Визнаючи сильний зв'язок між орбітальним ступенем свободи електронів та кристалічною ґраткою, ми дослідили та підтвердили можливість генерації орбітальних струмів через фонони – коливання ґратки».

Ця робота не тільки пояснює природу орбітальних струмів, що виникають у твердих тілах, але й закладає основу для нових принципів проектування майбутніх електронних пристроїв.

«Наше дослідження вперше пов'язує SAW, які вже широко використовуються в різних електронних пристроях, таких як датчики, сенсорні панелі та компоненти фільтрів, з орбітальними струмами. Таким чином, наші висновки відкривають шлях до нових розробок, які інтегрують акустичну технологію з орбітронікою», – каже професор Андо.

Майбутні дослідження будуть зосереджені на детальнішому розумінні мікроскопічних механізмів акустичного орбітального ефекту Холла та оптимізації архітектур пристроїв для більш надійної та ефективної генерації орбітальних струмів. Якщо пощастить, це прискорить перехід орбітроніки від суто теоретичної концепції до технологій наступного покоління.

Дослідники визначили два звукові механізми генерації орбітальних струмів