Los monopolos de momento angular orbital son de gran interés teórico porque ofrecen importantes beneficios prácticos al campo emergente de la orbittrónica, una posible alternativa energéticamente eficiente a la electrónica tradicional. Ahora, a través de una combinación de poderosa teoría y experimentos en la fuente de luz suiza SLS del Instituto Paul Scherer PSI, se ha demostrado su existencia. El descubrimiento fue publicado en la revista. Física de la Naturaleza.
Mientras que la electrónica utiliza la carga de los electrones para transferir información, las tecnologías futuras con menor impacto ambiental pueden utilizar una propiedad diferente de los electrones para procesar la información. Hasta hace poco, el principal competidor de otro tipo de “trónica” era la espintrónica. Aquí, la propiedad utilizada para transferir información es el espín del electrón.
Los investigadores también están explorando la posibilidad de utilizar el momento angular orbital (OAM) de los electrones que orbitan alrededor de sus núcleos atómicos: un campo emergente conocido como orbittrónica. Este campo es muy prometedor para los dispositivos de memoria, especialmente porque se puede generar una gran magnetización con una corriente de carga relativamente pequeña, lo que lleva a dispositivos energéticamente eficientes. La pregunta del millón ahora es identificar los materiales adecuados para crear el flujo de OAM, que es un requisito previo para la orbitrónica.
Ahora, un equipo de investigación internacional dirigido por científicos del Instituto Paul Scherer PSI y el Instituto Max Planck en Halle, Alemania, y Dresde, Alemania, ha demostrado que una nueva clase de materiales descubiertos en PSI en 2019 tienen propiedades que los hacen superiores a los quirales. Semimetales topológicos. Opción práctica para generar flujos de OAM.
Semimetales topológicos quirales: una solución simple para orbittrónica
En la búsqueda de materiales adecuados para la orbitrónica ya se han dado pasos utilizando materiales convencionales como el titanio. Sin embargo, desde su descubrimiento hace cinco años, los semimetales topológicos quirales se han convertido en un competidor atractivo. Estos elementos tienen una estructura nuclear helicoidal, lo que les da un “agarre” natural como la doble hélice del ADN, y pueden enriquecerlos naturalmente con un patrón o textura de OAM que permite su flujo.
“Esto proporciona una ventaja significativa sobre otros materiales porque no es necesario aplicar estímulos externos para obtener texturas OAM: son una propiedad intrínseca del material”, explica Michael Schuler, líder del grupo de teoría en el Centro de Investigación Científica. Computación. y datos de PSI, y profesor asistente de física en la Universidad de Friburgo, quien codirigió el estudio reciente. “Esto puede facilitar la generación de flujos estables y eficientes de OAM sin requerir condiciones especiales”.
El potencial fascinante pero difícil de alcanzar de los monopolos de momento angular orbital
Hay una textura OAM particular, proyectada sobre semimetales topológicos quirales, que ha fascinado a los investigadores: los monopolos OAM. En estos monopolos, OAM irradia hacia afuera desde un punto central como las púas de un erizo asustado acurrucado en una bola.
Lo que hace que estos monopolos sean tan interesantes es que la OAM es uniforme en todas las direcciones: es decir, es isotrópica. “Esta es una propiedad muy útil porque significa que el flujo de OAM puede generarse en cualquier dirección”, afirma Schüler.
Sin embargo, a pesar del atractivo de los monopolos OAM para la orbitrónica, hasta este último estudio seguían siendo un sueño teórico.
Los erizos se esconden en teoría y experimento.
Para observarlos experimentalmente, ASHA utilizó una técnica conocida como espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo, o CD-ARPES, que utiliza rayos X polarizados circularmente procedentes de una fuente de luz de sincrotrón. Sin embargo, una brecha entre la teoría y el experimento ha impedido que los investigadores interpreten los datos en el pasado. “Es posible que los investigadores tuvieran los datos, pero la evidencia del monopolio OAM estaba enterrada en ellos”, dijo Schuller.
En ARPES, la luz incide sobre un material y expulsa electrones. El ángulo y la energía de estos electrones emitidos revelan información sobre la estructura electrónica del elemento. En CD-ARPES, la luz incidente está polarizada circularmente.
“Una suposición natural es que si se utiliza luz polarizada circularmente, se mide algo que es directamente proporcional al OAM”, explica Schüler. “El problema es que, como mostramos en nuestra investigación, esto parece ser una suposición un tanto ingenua. En realidad, es bastante más complicado”.
Tapar la brecha de rigidez
En su estudio, Schuller y sus colegas probaron dos tipos de semimetales topológicos quirales en la Swiss Light Source SLS: paladio y galio o platino y galio. Decidido a revelar las texturas OAM ocultas dentro de la compleja red de datos CD-ARPES, el equipo cuestionó cada hipótesis con una teoría rigurosa.
Luego dieron un paso experimental adicional, inusual e importante, al cambiar la energía del fotón. “Al principio los datos no tenían sentido. La señal parecía cambiar por todas partes”, dice Schuler.
Destacando cómo las diversas contribuciones a OAM de los datos de CD-ARPES complicaron el cálculo, revelaron que la señal de CD-ARPES no era directamente proporcional a OAM, como se creía anteriormente, sino que giraba debido a cambios en la energía del fotón del monopolo. alrededor. De este modo, cierran la brecha entre la teoría y la experimentación y prueban la existencia del monopolo OAM.
Abriendo la puerta a la exploración de texturas de momento angular orbital en nuevos materiales
Armados con la capacidad de visualizar con precisión los monopolos de OAM, Schüler y sus colegas demostraron que la polaridad del monopolo (ya sea que las puntas de OAM apunten hacia adentro o hacia afuera) podría invertirse usando un cristal con una quiralidad de imagen especular. “Esta es una propiedad muy útil, porque los dispositivos orbitrónicos pueden fabricarse potencialmente con diferentes orientaciones”, dijo Schuller.
Ahora que la teoría y la experimentación finalmente se unen, la comunidad de investigación en general está equipada con los medios para explorar texturas OAM en una amplia variedad de materiales y optimizar sus aplicaciones para la orbittrónica.