Vědci objevili způsob, jak ovládat elektrony bez magnetů

Foto: North Carolina State University

Nový objev v oblasti fyziky

Autor původního článku: redakce

Vědci nedávno dosáhli překvapivého průlomu ve fyzice, který by mohl přetvořit budoucnost výpočetní techniky. Tento objev využívá zvláštní, dosud nevyužitou vlastnost hmoty. Vědci ukázali, že drobné atomové vibrace, nazývané chirální fonony, mohou přímo přenášet pohyb na elektrony, což jim umožňuje přenášet informace bez magnetů, baterií nebo dokonce elektřiny. Tento objev otevírá dveře novému oboru známému jako orbitronika, kde jsou data zpracovávána pomocí orbitálního pohybu elektronů namísto tradičního náboje nebo spinu.

Chirální fonony: Klíč k orbitronice

Orbitronika se zaměřuje na využití pohybu elektronů kolem jádra atomu, známého jako orbitální moment hybnosti, k přenosu a ukládání informací efektivněji. Tradičně bylo ovládání tohoto pohybu závislé na magnetických materiálech, jako je železo, které jsou těžké, nákladné a obtížně škálovatelné pro praktická zařízení. Nová studie nyní představila mnohem jednodušší přístup k generování tohoto orbitálního pohybu v elektronech. Klíčem jsou právě chirální fonony.

Poprvé vědci prokázali, že chirální fonony mohou přímo přenášet orbitální moment hybnosti na elektrony v nemagnetickém materiálu. Tento objev odstraňuje hlavní omezení, které dlouho bránilo rozvoji orbitroniky. „Generování orbitálních proudů tradičně vyžaduje injekci nábojového proudu do specifických přechodových kovů, a mnoho z těchto prvků je nyní klasifikováno jako kritické materiály,“ řekl Dali Sun, fyzik na North Carolina State University a spoluautor studie.

Význam chirality a atomového pohybu

Pokrok závisí na tom, jak jsou atomy uspořádány a jak se pohybují uvnitř materiálů. V pevných látkách atomy tvoří těsně zabalené mřížkové struktury. V mnoha materiálech, jako jsou kovy, jsou tyto struktury symetrické, což znamená, že jejich zrcadlový obraz vypadá identicky. Chirální materiály jsou jiné. V látkách jako křemen jsou atomy uspořádány ve spirálovém vzoru, podobně jako závity šroubu. Tyto struktury mají zabudovaný zvrat, buď levotočivý nebo pravotočivý, který nelze překrýt jeho zrcadlovým obrazem.

Atomy v pevných látkách nejsou statické. Kmitají na místě. V symetrických materiálech má tento pohyb tendenci být ze strany na stranu. V chirálních materiálech způsobuje zkroucená struktura, že se atomy pohybují v kruhovém nebo spirálovém vzoru.

Jak chirální fonony přenášejí energii

Tyto vibrace se mohou šířit materiálem jako kolektivní vlny známé jako fonony. V chirálních materiálech tyto vlny také sledují kruhový pohyb, tvořící chirální fonony. Užitečný způsob, jak si to představit, je dav na koncertě, kde jeden člověk začne kymácet a pohyb se šíří skupinou. Protože se atomy pohybují po kruhové dráze, nesou moment hybnosti. Vědci ukázali, že tento pohyb může být přímo předán elektronům, což jim dává orbitální moment hybnosti bez spoléhání na tradiční magnetické metody.

Výhody křemene a budoucnost elektroniky

Křemen nabízí překvapivou výhodu. Je lehký, levný a jeho chirální fonony generují vlastní vnitřní magnetické efekty. Poprvé vědci z University of Utah přímo změřili tuto magnetičnost v křemeni pomocí specializovaného vybavení v National High Magnetic Field Lab na Floridě. Tím, že na materiál svítili lasery a zkoumali, jak se odražené světlo mění v barvě, vlnové délce atd., potvrdili, že chirální fonony v křemeni produkují významné magnetické pole.

„I když samotný materiál není magnetický, existence chirálních fononů nám dává tyto magnetické páky, na které můžeme zatáhnout,“ řekl Rikard Bodin, doktorand na U a spoluautor článku. „Když mluvíme o objevování věcí, jako je orbitální Seebeckův efekt — nemohu vám říct, že vaše televize na tom poběží, ale vytváří to více pák, které můžeme použít k dělání nových věcí. Nyní, když je to tady, někdo jiný to může posunout dál a než se nadějete, bude to všudypřítomné. Takto technologie funguje.“