Największy kłopot był prozaiczny. Żeby poruszać orbitalnym ruchem elektronów, zwykle sięgało się po magnetyzm i konkretne metale, które są ciężkie, drogie i coraz częściej lądują na listach krytycznych surowców. Teraz pojawia się wynik, który idzie w inną stronę. Zamiast magnesu – drgania atomów w krysztale. Zamiast klasycznego napędzania prądem – różnica temperatur. A w roli głównej materiał, który kojarzy się raczej z zegarkami i piezoelektryką niż z elektroniką przyszłości.
Orbitronika, czyli gra o dodatkowy wymiar elektroniki
Gdy słyszymy o nowych sposobach sterowania elektronami, zwykle myślimy o spintronice. Spin jako nośnik informacji, czasem jako alternatywa dla części klasycznych funkcji tranzystora. Orbitronika celuje obok. Wykorzystuje orbitalny moment pędu, czyli to, jak wiruje chmura elektronowa w atomie i jak ten wir może wpływać na zachowanie elektronów w materiale. W dobrze dobranych układach orbitalny moment pędu da się przenosić, przetwarzać i potencjalnie utrzymywać dłużej, niż niektóre klasyczne sygnały ładunkowe. W teorii oznacza to nowe sposoby kodowania informacji i ograniczania strat energii. W praktyce oznacza to walkę o źródło, które da się kontrolować.
Dotąd najczęstsza droga prowadziła przez magnetyczne materiały i zjawiska, które wymagają konkretnych pierwiastków. Jeżeli orbitronika ma mieć drugie życie poza laboratorium, potrzebuje prostszego, tańszego i powtarzalnego mechanizmu wzbudzania orbitalnych prądów.
Chiralne fonony – kiedy drgania atomów zaczynają kręcić
W krysztale atomy nie stoją w miejscu. Drgają bez przerwy, a te zbiorowe drgania opisuje się jako fonony. Zwykle wyobraża się je jak falę: atomy odchylają się tam i z powrotem. Ale w materiałach chiralnych: takich, których struktura ma skręt lewo- albo prawoskrętny, drgania mogą układać się po okręgu. To już nie jest zwykłe bujanie, tylko ruch z określoną ręcznością.
Taki fonon robi się nośnikiem momentu pędu, a jeśli w krysztale pojawiają się drgania, które same z siebie niosą moment pędu, naturalnie pojawia się pytanie. Czy da się go przekazać elektronom, tak aby to elektrony zaczęły mieć preferowany orbitalny ruch? Właśnie to pokazano w układzie opartym o kwarc α, czyli materiał chiralny. Kluczowy element polega na tym, że fonony nie są tylko tłem termicznym. Mogą stać się silnikiem dla orbitalnego stopnia swobody elektronów.
Najbardziej nieintuicyjny fragment tej pracy jest jednocześnie najbardziej użyteczny. Do uruchomienia zjawiska wykorzystano gradient temperatury. Jeśli jedna część kryształu jest cieplejsza, a druga chłodniejsza, fonony zaczynają transportować energię w określonym kierunku. W krysztale chiralnym ten transport niesie też preferowany zwrot momentu pędu. W tym układzie drgania atomów generują efektywną dźwignię magnetyczną bez klasycznego ferromagnetyka. To nie oznacza jeszcze, że materiał nagle staje się magnesem jak żelazo. Chodzi o to, że chiralne fonony tworzą wewnętrzne pola oddziaływania, które potrafią wpływać na orbitalny ruch elektronów.
Wynik nazwano orbitalnym efektem Seebecka, czyli analogią do dobrze znanego zjawiska termoelektrycznego, tylko że zamiast samego przepływu ładunku pod wpływem gradientu temperatury, pojawia się przepływ związany z orbitalnym momentem pędu. To otwiera nam drogę do orbitroniki, która nie wymaga baterii w sensie sterowania, tylko wykorzystuje fizykę materiału i temperaturę jako narzędzie.
Jak to w ogóle zmierzyć, skoro orbitalny prąd jest ukryty?
Z orbitalnym momentem pędu jest taki problem, że nie zawsze daje się go zmierzyć wprost jak napięcie na końcach przewodu. Potrzebny jest “tłumacz” między światem orbitroniki a światem sygnałów elektrycznych. W praktyce zastosowano cienkie warstwy metali na powierzchni kryształu, które pozwalają zamienić przepływ orbitalnego momentu pędu w mierzalny sygnał elektryczny. To podobna logika do tej, którą zna spintronika. Najpierw generujesz coś, co jest wewnętrznym stopniem swobody, a potem konwertujesz to na napięcie, żeby można było to porównać, skalibrować i powtórzyć.
Istotne jest też, że do uporządkowania chiralnych fononów użyto warunków, które pozwalają uzyskać przewagę jednego zwrotu nad drugim. W normalnych warunkach w krysztale występuje mieszanina stanów lewo- i prawoskrętnych. Jeśli chcesz z tego zrobić narzędzie, musisz wybić układ z tej równowagi na tyle, by sygnał był czytelny.
Jeśli taki mechanizm da się przenieść na inne materiały, robi się interesująco. Po pierwsze dlatego, że chiralność nie jest egzotyką z jednego minerału. Istnieją inne chiralne kryształy i związki, w których podobne fonony mogą się pojawiać. Po drugie dlatego, że w porównaniu z podejściami opartymi o krytyczne metale, tu pojawia się realna szansa na tańsze i lżejsze platformy. Dodatkowa kwestia to długość życia sygnału. Jeżeli orbitalny moment pędu da się utrzymać dłużej w materiale, to rośnie szansa na elementy, które działają stabilnie i nie wymagają ciągłego podtrzymywania klasycznym prądem. To w elektronice ma znaczenie fundamentalne. Mniej strat, mniej grzania, mniej pracy wykonanej tylko po to, żeby utrzymać stan.
Jeśli orbitalny prąd da się generować termicznie i kontrolować poprzez strukturę materiału, to część funkcji mogłaby przejść z projektowania obwodu na projektowanie materiału. To zawsze brzmi jak przesada. Dopóki nie przypomni się, że dokładnie tak zaczęła się era półprzewodników.
Źródło: Sci Tech Daily; The University of Utah