Dopiero teraz udało się postawić kropkę nad i w tej zawiłej sprawie. Zespół z Instytutu Nauk Molekularnych w Japonii wykorzystał Photoelectron Momentum Microscope (PMM) w synchrotronie UVSOR. Co ciekawe, sam pomysł nie był rewolucyjny – chodziło raczej o dopracowanie metody do perfekcji.
Czytaj też: Fotony fizycznie przesuwają atomy w nowych materiałach. To odkrycie może zastąpić tradycyjną elektronikę
Warunki, w jakich prowadzono eksperyment, przypominały raczej scenariusz filmu science fiction niż standardowe procedury laboratoryjne. Temperatura spadła poniżej 10 kelwinów, co odpowiada mroźnym -263oC, przy ciśnieniu tak niskim, że trudno je sobie wyobrazić – zaledwie 2×10-8 Pa (paskali). Tylko w tak ekstremalnych warunkach udało się wyeliminować wszelkie zakłócenia zewnętrzne, które mogłyby wpłynąć na wyniki.
Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów badacze musieli przeprowadzić żmudny proces kalibracji całego systemu. Wykorzystali w tym celu próbkę niklu o dokładnie znanych właściwościach magnetycznych, co pozwoliło im potwierdzić, że ich urządzenie rejestruje polaryzację spinu z absolutną precyzją. Bez tego etapu cały eksperyment nie miałby większej wartości.
Co elektrony robią w atomie złota?
Wyniki, opisane w Journal of the Physical Society of Japan, okazały się jednoznaczne i – co ważne – powtarzalne. Elektrony na powierzchni złota tworzą dwa wyraźne pasma o przeciwnych kierunkach wirowania. Zewnętrzne pasmo obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy wewnętrzne wiruje w kierunku przeciwnym. To właśnie przejaw tak zwanego efektu Rashby, który od lat spędzał sen z powiek fizykom.
Czytaj też: Wortiony. Magnetyczna rewolucja, która może zmienić elektronikę
Mechanizm tego zjawiska jest fascynujący z czysto naukowego punktu widzenia. Powierzchnia złota przerywa regularną strukturę krystaliczną, tworząc silne pole elektryczne prostopadłe do powierzchni. To pole działa jak swego rodzaju pułapka, zmuszając elektrony do specyficznego zachowania – ich spin zostaje zablokowany prostopadle do kierunku ruchu. W efekcie powstają dwa odrębne pierścienie elektronów o przeciwnych kierunkach spinu.
Dlaczego zatem przez dwie dekady nikt nie był w stanie tego udowodnić? Problem tkwił w różnicach między konfiguracjami eksperymentalnymi stosowanymi przez różne zespoły badawcze. Każda grupa używała nieco innych metod, innych układów współrzędnych i innych konwencji analitycznych, co prowadziło do pozornie sprzecznych wyników. Literatura naukowa zapełniła się publikacjami cytującymi te rozbieżne dane, wprowadzając jeszcze większe zamieszanie.
Japońska metodologia rozwiązała ten problem w elegancki sposób. Pomiary pozostawały stabilne w niezwykle szerokim zakresie energii fotonów – od 21,21 aż do 100 eV. Kierunek spinu nie zmieniał się niezależnie od użytej energii, co definitywnie wykluczyło artefakty eksperymentalne jako źródło wcześniejszych rozbieżności. To właśnie ta powtarzalność czyni wyniki tak wiarygodnymi.
Kolejnym istotnym osiągnięciem było wykorzystanie światła ultrafioletowego o normalnym padaniu i kontrolowanej polaryzacji do identyfikacji orbitali atomowych tworzących stan powierzchniowy. Okazało się, że stany powierzchniowe składają się głównie z orbitali 6s i 6p pionowych. Metoda ta, choć technicznie zaawansowana, jest w gruncie rzeczy prosta i bezpośrednia, co stanowi jej dodatkowy atut.
Praktyczne znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza czystą fizykę. Spintronika, czyli technologia wykorzystująca spin elektronów zamiast ich ładunku elektrycznego, obiecuje stworzenie urządzeń znacznie szybszych i bardziej energooszczędnych niż obecna elektronika. Trzeba jednak przyznać, że obietnice te słyszymy od lat, a przełomowych zastosowań wciąż brak.
Nowa metodologia otwiera drogę do stworzenia kompleksowego atlasu tekstur spinu w różnych materiałach. Taki atlas mógłby stać się fundamentem dla projektowania nowych urządzeń, pozwalając inżynierom przewidywać zachowanie elektronów w różnych konfiguracjach. To ambitny plan, ale jego realizacja wymagać będzie jeszcze wielu lat badań.