Nová generácia pamäťových a logických obvodov by mohla byť až 10 000-krát rýchlejšia. Cestou k nim je nová štúdia, pri ktorej vedci dokázali zrušiť väzbu medzi spinom a orbitálnym stavom elektrónov v špeciálnom materiály.

Ako píše portál Phys, pri navrhovaní elektronických zariadení vedci hľadajú spôsoby, ako manipulovať a riadiť tri základné vlastnosti elektrónov – ich náboj, ich spin, ktorý v rôznych stavoch vedie k magnetizmu a tvar elektrónových oblakov, respektíve orbitálov.

V rámci novej štúdie prišli vedci na nový spôsob riadenia vlastností spinu a orbitálov, ktorý bude dôležitý pre budúcnosť novej generácie elektronických zariadení.

Bez ovplyvnenia spinu doteraz nebolo možné ovplyvniť orbitály jedného z dôležitých materiálov

Až doteraz sa verilo, že stavy spinu elektrónov a orbitálov idú spolu ruka v ruke v rámci špeciálnej triedy materiálov, ktorá je základným kameňom moderných informačných technológií. V jednoduchosti, nebolo možné zmeniť stav jedného bez ovplyvnenia druhého.

Nová štúdia Národného urýchľovacieho laboratória SLAC však ukazuje, že pulzy laserového svetla môžu dramaticky zmeniť stav spinu elektrónov jednej dôležitej triedy materiálov, zatiaľ čo ich orbitálny stav zostane neporušený.

Zobraziť celú galériu (2)

Tieto tvary „balónov“ a „diskov“ predstavujú elektrónový orbitál, respektíve elektrónový oblak okolo jadra atómu, v dvoch rôznych orientáciách. Vedci dúfajú, že jedného dňa budú schopní využiť rôzne variácie v orientáciách týchto orbitálov, ktoré by reprezentovali 0 a 1, potrebné na výpočet a ukladanie informácií do počítačových pamätí. Tento systém ukladania informácií je známy ako orbitronia. Zdroj: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Výsledky naznačujú novú cestu k výrobe budúcej generácie logických a pamäťových zariadení založených na takzvanej „orbitronii“, uviedla Lingjia Shen, výskumná pracovníčka laboratória SLAC a jedna z vedúcich výskumných pracovníkov štúdie. V podstate nová štúdia vedie k tomu, že by sme v prípade pamäťových a logických zariadení vedeli využiť nové prístupy k ukladaniu informácií.

„V tomto systéme vidíme úplný opak toho, čo ľudia videli v minulosti,“ povedala Shenová. „Vyvoláva to možnosť, že by sme mohli samostatne kontrolovať spin a orbitálne stavy materiálu, a zároveň použiť rôzne variácie tvarov orbitálov, keďže 0 a 1 sú potrebné na výpočet a ukladanie informácií do počítačových pamätí.“

Zaujímavý, ale zložitý materiál

Materiál, ktorý sme doposiaľ spomínali, je takzvaný kvantový materiál na báze oxidu-mangánu, známy pod skratkou NSMO. Používa sa už asi tri desaťročia v zariadeniach, kde sa informácie ukladajú pomocou magnetického poľa používaného na prepnutie z jedného elektrónového spinového stavu do druhého, čo je metóda známa ako spintronika.

NSMO je tiež považovaný za sľubného kandidáta na výrobu počítačov a pamäťových úložných zariadení novej generácie založených na takzvaných skyrmiónoch, respektíve topologických spinových textúrach, ktoré vytvárajú magnetické polia rotujúcich elektrónov. Tento materiál je však veľmi komplexný.

„Na rozdiel od polovodičov a iných známych materiálov je NSMO kvantový materiál, ktorého elektróny sa správajú skôr kooperatívne alebo korelujú, ako nezávisle, čo býva väčšinou zvykom.

To sťažuje kontrolu jedného aspektu správania elektrónov bez ovplyvnenia všetkých ostatných,“ uviedol Yoshinori Tokura, riaditeľ Centra pre núdzové záležitosti RIKEN v Japonsku, ktorý sa do štúdie zapojil.

Jedným z bežných spôsobov skúmania tohto typu materiálu je jeho vystavenie laserovým lúčom, aby sa zistilo, ako stavy jeho elektrónov reagujú na prísun energie. Presne to urobil aj výskumný tím stojaci za prezentovanou štúdiou, pričom pozoroval reakciu materiálu na röntgenové laserové pulzy z koherentného svetelného zdroja LCLS (Linac Coherent Light Source).

Výsledky, ktoré dokážu priniesť až 10 000-krát rýchlejšie elektronické zariadenia

Pri tomto experimente očakávali, že sa usporiadané vzorce elektrónových spinov a orbitálov v materiáli vrhnú do úplného zmätku alebo sa ich vzory vplyvom impulzov laserového svetla v blízkosti infračervenej oblasti „narušia“. K ich prekvapeniu sa však narušili iba vzory spinov, zatiaľ čo orbitálne dráhy zostali nedotknuté.

Zobraziť celú galériu (2)

V experimentoch vedci vystavili kvantový materiál pulzom laserového svetla (horná časť obrázku), aby zistili, ako by to ovplyvnilo „zubkovité“ vzory (uprostred) v jeho atómovej mriežke vyvolané smermi spinu elektrónov (čierne šípky) a orientáciou elektrónových orbitálov (červené balónovité tvary). Počas experimentu zostali prekvapení, keď zistili, že pulzy narušili vzorce spinov, zatiaľ čo orbitálne vzory zostali neporušené (spodná časť). Zdroj: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Normálna väzba medzi spinom a orbitálnymi stavmi bola úplne prerušená, čo je pri tomto type korelovaného materiálu náročné a predtým to nebolo nikdy pozorované. „Zvyčajne len nepatrná aplikácia fotoexcitácie zničí všetko. Tu dokázali udržať stav elektrónov, ktorý je najdôležitejší pre budúce zariadenia – orbitálny stav – nepoškodený. ​​Je to pekný nový doplnok k vede orbitronie a korelovaných elektrónov.“

Zatiaľ čo v spintronike sú prepínané spinové stavy elektrónov, v prípade orbitronie je tak možné prepínať elektrónové orbitálne stavy, aby vykazovali podobnú funkcionalitu. Tieto orbitronické zariadenia by však teoreticky mohli pracovať až 10 000-krát rýchlejšie ako spintronické.

V tomto prípade by sa prepínanie medzi dvoma orbitálnymi stavmi uskutočňovalo pomocou krátkych impulzov terahertzového žiarenia ako pomocou magnetických polí používaných dnes. Vedci tak naďalej pracujú na prepínaní orbitálnych stavov, pričom sa snažia aj o ovplyvňovanie spinu elektrónov. Ich výskum je tak správnym krokom na ceste k elektronike novej generácie.