Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Cho đến nay, các spin điện tử và quỹ đạo được cho là song hành trong một lớp vật liệu là nền tảng của công nghệ thông tin hiện đại; chúng ta không thể nhanh chóng thay đổi cái này mà không thay đổi cái khác. Nhưng một nghiên cứu mới cho thấy một xung ánh sáng laser có thể thay đổi đáng kể trạng thái quay của một loại vật liệu quan trọng trong khi vẫn giữ nguyên trạng thái quỹ đạo của nó.
Khi thiết kế các thiết bị điện tử, các nhà khoa học tìm cách để thao tác và kiểm soát ba tính chất cơ bản của điện tử: điện tích của chúng; trạng thái spin của chúng, tạo ra từ tính; và hình dạng của các đám mây mờ mà chúng hình thành xung quanh hạt nhân của các nguyên tử, được gọi là quỹ đạo.
Cho đến nay, các spin điện tử và quỹ đạo được cho là song hành trong một lớp vật liệu là nền tảng của công nghệ thông tin hiện đại; bạn không thể nhanh chóng thay đổi cái này mà không thay đổi cái khác. Nhưng một nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng cho thấy một xung ánh sáng laser có thể thay đổi đáng kể trạng thái quay của một loại vật liệu quan trọng trong khi vẫn giữ nguyên trạng thái quỹ đạo của nó.
Lingjia Shen, một cộng tác viên nghiên cứu của SLAC và là một trong những nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu cho biết kết quả cho thấy một con đường mới để tạo ra một thế hệ thiết bị logic và bộ nhớ trong tương lai dựa trên “quỹ đạo”.
Shen giải thích: “Những gì chúng ta đang thấy trong hệ thống này hoàn toàn trái ngược với những gì mọi người đã thấy trong quá khứ. Điều này làm tăng khả năng chúng ta có thể kiểm soát riêng trạng thái quay và quỹ đạo của vật liệu và sử dụng các biến thể trong hình dạng quỹ đạo như số 0 và 1 cần thiết để tính toán và lưu trữ thông tin trong bộ nhớ máy tính.”
Nhóm nghiên cứu quốc tế dẫn đầu bởi Joshua Turner, một nhà khoa học và điều tra viên của SLAC thuộc Viện Khoa học Vật liệu và Năng lượng Stanford (SIMES) đã báo cáo kết quả của họ trong tuần này trên Tạp chí Vật lý B Rapid Communications .
Một vật liệu phức tạp, hấp dẫn
Vật liệu mà nhóm nghiên cứu là một vật liệu lượng tử dựa trên oxit mangan được gọi là NSMO, có các lớp tinh thể cực mỏng. Nó đã tồn tại được ba thập kỷ và được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ thông tin bằng cách sử dụng từ trường để chuyển từ trạng thái spin electron này sang trạng thái khác, một phương pháp được gọi là điện tử học. NSMO cũng được coi là một ứng cử viên đầy triển vọng để chế tạo máy tính và thiết bị lưu trữ bộ nhớ trong tương lai dựa trên bầu trời, các xoáy nhỏ giống như hạt được tạo ra bởi từ trường của các electron quay.
Nhưng tài liệu này cũng rất phức tạp, Yoshinori Tokura, giám đốc Trung tâm khoa học vật chất mới nổi RIKEN tại Nhật Bản, người cũng tham gia nghiên cứu cho biết.
“Không giống như chất bán dẫn và các vật liệu quen thuộc khác, NSMO là một vật liệu lượng tử có các electron hoạt động theo kiểu hợp tác, hoặc tương quan, thay vì độc lập như chúng thường làm”, ông nói. “Điều này khiến cho việc kiểm soát một khía cạnh trong hành vi của các điện tử mà không ảnh hưởng đến tất cả các khía cạnh khác.”
Một cách phổ biến để điều tra loại vật liệu này là đánh nó bằng ánh sáng laser để xem các trạng thái điện tử của nó phản ứng thế nào với việc phun năng lượng. Đó là những gì nhóm nghiên cứu đã làm ở đây. Họ đã quan sát phản ứng của vật liệu với các xung laser tia X từ Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS) của SLAC.
Một “người” tan chảy, “người” kia không
Những gì họ mong đợi sẽ thấy là các mẫu spin và quỹ đạo có trật tự trong vật liệu sẽ bị ném vào tình trạng hỗn loạn hoàn toàn, hoặc “tan chảy” khi chúng hấp thụ các xung ánh sáng laser gần hồng ngoại.
Nhưng thật ngạc nhiên, chỉ có các mẫu spin tan chảy, trong khi các mẫu quỹ đạo vẫn còn nguyên. Sự kết hợp bình thường giữa trạng thái quay và quỹ đạo đã bị phá vỡ hoàn toàn, đây là một điều khó khăn để làm trong loại vật liệu tương quan này và chưa từng được quan sát trước đây.
Tokura nói thêm, “Thông thường chỉ có một ứng dụng nhỏ của hiện tượng quang hóa phá hủy mọi thứ. Ở đây, chúng có thể giữ trạng thái điện tử quan trọng nhất cho các thiết bị trong tương lai – trạng thái quỹ đạo – không bị hư hại. Đây là một bổ sung mới cho khoa học quỹ đạo và điện tử tương quan. “
Nhiều như trạng thái spin electron được chuyển đổi trong điện tử học, trạng thái quỹ đạo điện tử có thể được chuyển đổi để cung cấp một chức năng tương tự. Về mặt lý thuyết, các thiết bị quỹ đạo này có thể hoạt động nhanh hơn 10.000 so với các thiết bị spintronic.
Chuyển đổi giữa hai trạng thái quỹ đạo có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các chùm bức xạ terahertz ngắn, thay vì từ trường được sử dụng ngày nay. “Kết hợp cả hai có thể đạt được hiệu suất thiết bị tốt hơn nhiều cho các ứng dụng trong tương lai.” Nhóm nghiên cứu đang làm việc để làm điều đó.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia DOE / SLAC . Bản gốc được viết bởi Glennda Chui. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :