軌道電子學向前一步:自旋與軌道態的捆綁被打破

2020-12-03 返樸

現代材料中電子一般具有很強的自旋軌道耦合，如果改變電子的自旋態，其軌道也會隨之發生變化。最近，一個國際團隊在量子材料釹鍶錳氧（NSMO）實現了自旋與軌道態的「獨立」變化。這項成果或將對新一代邏輯和存儲設備的研發開闢新道路。

撰文 | Glennda Chui

翻譯 | 張和持

在設計電子產品時，科學家們需要想方設法操控電子的三大基本屬性：電荷、自旋態（電子磁矩就是因自旋而產生的），以及核外電子云的形狀，或稱軌道。直到不久前，科學家們都認為，那些現代信息技術所不可或缺的材料中，有很強的自旋軌道耦合；也就是說，你無法在保證自旋不變的情況下迅速改變軌道，反之亦然。

但最近由美國斯坦福材料與能源科學研究所（SIMES）研究員、SLAC國家加速器實驗室資深科學家Joshua Turner 領導的一個國際研究小組發表的一項研究表明，雷射脈衝可以顯著地改變某種材料中電子的自旋，而保持軌道不變。SLAC研究助理員，同時也是該項目的主要成員之一的Lingjia Shen稱，這項成果為製造基於「軌道電子學」的下一代邏輯與記憶設備提供了新的途徑。Shen 目前是瑞典隆德大學博士後研究員，在 SLAC 兼職。

Shen表示，「我們在該系統中觀察到的現象與以往截然相反。這讓我們有更大把握，能分別操控材料的自旋和軌道態，從而可以將軌道的形狀看作變量，如0s，1s軌道，作為計算機的0和1，以此運算或儲存信息。」

模型代表圍繞原子核不同方向的模糊電子云 | 圖片來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)

一種有趣而複雜的材料

該團隊研究的是一種基於錳氧化物的量子材料，被稱為NSMO（釹鍶錳氧），它具有極薄的結晶層。這種材料早在30年前便為人所用：通過磁場改變電子的自旋態，以此儲存信息。這種稱為自旋電子學的方法被廣泛應用於諸多設備。

NSMO還有望被用於製造基於斯格明子（skyrmions，一種由自旋電子的磁場產生的微小漩渦，與粒子相似）的新型計算機和儲存設備。日本RIKEN新興物質科學中心主任Yoshinori Tokura稱，這種材料非常複雜。他本人也參與了這項研究。「與我們熟悉的半導體材料不同，NSMO是一種量子材料，它諸多電子的運動可以說是協同的，或者相關聯的，而不是像其他材料一般相互獨立，」他說道，「這就使得控制單一變量的嘗試困難重重。」對於這種材料，一種常規研究方法是將雷射打在它上面，看電子狀態對於能量注入的反應。該研究團隊正是這麼做的，他們在 SLAC 的直線加速器相干光源（LCLS）所發出的 X 光照射下，觀察了材料產生的反應。

一個熔化，而另一個沒有

他們本以為NSMO在吸收了近紅外脈衝之後，材料中電子自旋與軌道的有序模式會徹底混亂，或者說「熔化」。然而 Turner 稱，出乎所有人的意料，被熔化的只有自旋的模式，軌道模式完好如初。自旋與軌道態間的正常耦合徹底斷裂，這意味著相關材料的研究面臨重大挑戰，畢竟此前從未觀測到類似現象。

材料在經過雷射脈衝後，電子自旋發生改變（黑色箭頭），而軌道未發生改變（紅色）| 圖片來源：Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Tokura 表示：「通常只需要些微的光激發作用便可以摧毀一切。而現在卻能讓軌道態——電子狀態中對於未來設備最重要的一項——毫髮無傷。這對於軌道電子學與相關電子的科學是很好的補充。」

正如自旋電子學中，電子的自旋態被改變；在軌道電子學中，可以改變軌道態來提供一個類似的函數。Shen認為，理論上基於軌道電子學的設備，將比基於自旋電子學的設備快10,000 倍。他補充說，兩個軌道態之間的轉換可以不用現在所使用的磁場，而是由太赫茲輻射的短脈衝實現，「如果能將兩者結合，那麼這樣的設備在未來的應用中會有更加出色的表現。」目前該團隊仍在研究結合兩者的途徑。

來自勞倫斯伯克利國家實驗室先進光源（ALS），瑞士保羅舍勒研究所的瑞士光源（SLS），日本東京大學和筑波大學，以及芝加哥大學的科學家都為此次研究做出了貢獻。本研究得到美國能源部（DOE）早期職業計劃項目支持。

參考來源

https://www6.slac.stanford.edu/news/2020-05-15-step-forward-orbitronics-scientists-break-link-between-quantum-materials-spin-and

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