科學家首次打破了量子材料自旋態和軌道態之間的聯繫

2020-08-11 用戶92322398432

在設計電子器件時，科學家們會尋找操縱和控制電子三個基本性質的方法：電子的電荷；產生磁性的電子自旋態；以及它們圍繞原子核形成的模糊雲的形狀，即軌道。

直到現在，在現代信息技術基石的一類材料中，電子自旋和軌道之間被認為是無法分割的，你不能迅速的改變一個而不改變另一個。但美國能源部SLAC國家加速器實驗室的一項研究表明，雷射脈衝可以顯著改變一類重要材料的自旋狀態，同時保持其軌道狀態不變。

在這個系統中我們所看到的與之前完全相反。這就提出了一種可能性，即我們可以分別控制一種物質的自旋和軌道狀態，並利用軌道形狀的變化作為進行計算和將信息存儲在計算機存儲器中所需的0和1。並且該研究結果為基於「軌道電子學」的未來一代邏輯和記憶設備的製造提供了新的途徑。

一種有趣、複雜的材料

研究小組研究的材料是一種基於氧化錳的量子材料，稱為NSMO，它具有非常薄的晶體層。NSMO已經存在了30年，並被用於通過磁場從一個電子自旋態轉換到另一個電子自旋態來存儲信息的設備中，這種方法被稱為自旋電子學。NSMO也被認為是一個很有前途的候選產品，用於製造未來的計算機和基於斯格明子的存儲設備，斯格明子是由旋轉電子的磁場產生的類似粒子的微小渦流。

但是氧化錳這種物質也非常複雜，與半導體和其他常見材料不同，它是一種量子材料，其電子以合作或相關的方式運行，而不像通常那樣表現的獨立。這就使得在不影響所有其他電子的情況下，很難控制電子行為的一個方面。

研究這種材料的一種常見方法是用雷射打它，看看它的電子狀態對能量注入的反應。研究小組就是這麼做的。他們用SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）發出的X射線雷射脈衝觀察材料的響應。

電子自旋和軌道表現出相互獨立的狀態

他們期望看到的是，當電子吸收近紅外雷射脈衝時，材料中電子自旋和軌道的有序模式將完全混亂或「融化」。但令他們驚訝的是，只有自旋模式融化，而軌道模式保持完整。這表明自旋態和軌道態之間的正常耦合已經完全被打破。這在這類相關材料中是一件具有挑戰性的事情，以前從未觀察到過，因為通常光激發的一小部分就會破壞一切。在這裡，它們能夠保持電子狀態，並且是最重要的軌道狀態沒有損壞。這是對軌道電子學和相關電子科學的一個很好的補充。

就像在自旋電子學中切換電子自旋狀態一樣，也可以切換電子軌道狀態以提供類似的功能。從理論上講，軌道電子設備的運行速度可能比自旋電子設備快1萬倍。通過使用太赫茲輻射的短脈衝，而不是現在使用的磁場，可以在兩個軌道狀態之間進行切換：將兩者結合起來，可以在未來的應用中獲得更好的設備性能。

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