Orbitronics突破：科学家打破了量子材料的自旋与轨道状态之间的联系

这些气球和圆盘形状代表两个不同方向的电子轨道（围绕原子核的模糊电子云）。科学家希望有朝一日使用轨道方向的变化作为进行计算并将信息存储在计算机内存中所需的0和1，这是一个称为orbitronics的系统。SLAC的一项研究表明，可以将这些轨道方向与电子自旋模式分开，这是独立控制以现代信息技术为基础的一类材料中的关键一步。

这一进步为通往新一代逻辑和存储设备开辟了道路，它们可能比今天的速度快10,000倍。

在设计电子设备时，科学家寻找操纵和控制电子的三个基本特性的方法：电子的电荷；电子的电荷。它们的自旋状态会引起磁性；以及模糊云的形状围绕原子核而形成，这些原子核被称为轨道。

到现在为止，人们一直认为电子自旋和轨道与现代信息技术的基石一并使用。您不能不更改另一个就快速更改一个。但是，能源部SLAC国家加速器实验室的一项研究表明，激光脉冲可以显着改变一种重要材料的自旋状态，同时保持其轨道状态不变。

SLAC研究助理，该研究的主要研究人员之一沈凌佳说，这些结果为基于“ orbitronics”的下一代逻辑和存储设备的开发提供了一条新途径。

“我们在这个系统中所看到的与人们过去所看到的完全相反，”沉说。“这增加了我们可以分别控制材料的自旋和轨道状态，并使用轨道形状的变化作为计算和在计算机内存中存储信息所需的0和1的可能性。”

由斯坦福大学材料与能源科学研究所（SIMES）的SLAC资深科学家和研究员Joshua Turner领导的国际研究小组本周在《物理评论B快速通讯》中报告了他们的研究结果。

在SLAC实验中，科学家用激光脉冲（顶部）击中一种量子材料，以了解这将如何影响由电子的自旋方向（黑色箭头）和电子轨道的方向（红色气球形状）。他们惊讶地发现脉冲破坏了自旋模式，同时保持了完整的轨道模式（底部）。这增加了自旋和轨道状态可以被独立控制以制造更快的电子设备的可能性。

研究小组研究的材料是一种基于氧化锰的量子材料，称为NSMO，它具有极薄的结晶层。它已经存在了三十年，被用于通过磁场将信息从一种电子自旋状态切换到另一种电子自旋状态的信息存储设备中，这种方法称为自旋电子学。NSMO也被认为是制造未来的计算机和存储设备的有前途的候选者，这些计算机和存储设备基于天体离子，这是由旋转的电子的磁场产生的微小的颗粒状涡旋。

RIKEN日本紧急物质科学中心主任Yoshinori Tokura说，但是这种材料也非常复杂。

他说：“与半导体和其他熟悉的材料不同，NSMO是一种量子材料，其电子以协作或关联的方式表现，而不是像通常那样独立。”“这使得很难控制电子行为的一个方面而又不影响所有其他方面。”

研究这种材料的一种常见方法是用激光照射它，以查看其电子状态如何响应能量的注入。这就是研究团队在这里所做的。他们观察了SLAC直线加速器相干光源（LCLS）发出的X射线激光脉冲对材料的反应。

一个融化，另一个不融化

他们期望看到的是，当材料吸收近红外激光脉冲时，其材料中电子自旋和轨道的有序排列将完全混乱或“熔化”。

特纳说，但令他们惊讶的是，只有自旋模式融化了，而轨道模式却保持不变。他说，自旋和轨道状态之间的正常耦合已被完全破坏，这对于这种类型的相关材料而言是一项具有挑战性的工作，并且以前从未被观察到。

Tokura说：“通常只有很小的光激发作用会破坏一切。在这里，他们能够保持对未来设备最重要的电子状态-轨道状态-不受损坏。这是对Orbitronics和相关电子学的很好的补充。”

就像在自旋电子学中切换电子自旋状态一样，可以切换电子轨道状态以提供类似的功能。从理论上讲，这些自旋电子器件的运行速度比自旋电子器件快10,000倍。

他说，通过使用太赫兹辐射的短脉冲而不是当今使用的磁场，可以在两个轨道状态之间切换。“将两者结合起来可以为未来的应用提供更好的设备性能。”团队正在研究实现这一目标的方法。

参考：L. Shen，S. A. Mack，G. Dakovski，G. Coslovich，O. Krupin，M. Hoffmann，S.-W.“在超快杂化电荷转移带激发中层状锰矿中的自旋轨道相关性解耦”。黄永德Chuang，J.A. Johnson，S.Lieu，S.Zohar，C.Ford，M.Kozina，W.Schlotter，M.P.Minitti，J.Fujioka，R.Moore，W-S。 Lee Z.Hussain，Y.Tokura，P.Littlewood和J.J. Turner，2020年5月12日，《物理评论B快速通信》。
10.1103 / PhysRevB.101.201103

沉先生现为瑞典隆德大学的博士后研究员，与SIMES共同担任SLAC的职位。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室先进光源的科学家；瑞典Paul Scherrer研究所的瑞士光源；东京大学和日本筑波大学；芝加哥大学也为这项研究做出了贡献。LCLS和高级光源都是美国能源部科学办公室的用户设施，这项研究的主要支持来自美国能源部科学办公室。特纳的研究得到了美国能源部科学早期职业研究计划办公室的支持。