Физики освоили управление электронами без использования магнитных полей

С увеличением вычислительных требований исследователи все активнее погружаются в квантовый мир, стремясь найти более эффективные методы обработки данных.Движение хиральных фононов по спирали в материале.Источник: Shafayat Hossai, Zahid Hasan Lab

Одним из многообещающих направлений является орбитроника, которая использует движение электронов вокруг атомного ядра (орбитальный угловой момент) для передачи и хранения информации. Ранее для управления этим движением требовались магнитные материалы — тяжелые, дорогие и сложные в масштабировании, но теперь физики нашли значительно более простое решение, основанное на хиральных фононах.

В своем новом исследовании американские ученые впервые продемонстрировали, что хиральные фононы способны непосредственно передавать орбитальный угловой момент электронам в немагнитном материале. Это открытие устраняет основное ограничение, долгое время тормозившее развитие орбитроники.

«Генерация орбитальных токов традиционно требует применения определенных переходных металлов, и многие из этих элементов сейчас классифицируются как критически важные материалы — они малодоступны и стоят дорого, — поясняет соавтор исследования, физик из Университета Северной Каролины Дали Сунь. — Но существуют и другие способы генерировать орбитальный угловой момент, и предложенный нами метод позволяет использовать более доступные и дешевые материалы».

Суть открытия заключается в понимании того, как атомы расположены и движутся в материалах. В хиральных материалах, таких как кварц, атомы располагаются в спиральном порядке — подобно резьбе винта. Эти структуры обладают встроенной «закрученностью» влево или вправо, которую невозможно совместить с их зеркальным отражением.

Атомы в твердых телах постоянно колеблются. Эти колебания распространяются по материалу в виде волн — фононов. В хиральных материалах закрученная структура приводит к тому, что атомы движутся по круговой или спиральной траектории, а волны также следуют этому круговому движению, образуя хиральные фононы.

Исследователи установили, что это движение может передаваться непосредственно электронам, придавая им орбитальный угловой момент без традиционного магнитного воздействия. Специалисты из Университета Юты впервые напрямую измерили магнетизм в кварце с использованием специального оборудования в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде, подтвердив, что хиральные фононы в кварце создают заметное магнитное поле.