Экспериментальная установка для обнаружения орбитальной накачки. Кредит: Хаяши и др.

Электроны по своей природе несут как спин, так и орбитальный угловой момент (т. е. свойства, которые помогают понять вращательные движения и поведение частиц). В то время как некоторые физики и инженеры пытались использовать спиновый угловой момент электронов для разработки новых технологий, известных как спинтроника, орбитальный момент этих частиц до сих пор редко учитывался.

В настоящее время генерация орбитального тока (т. е. потока орбитального углового момента) остается гораздо более сложной задачей, чем генерация спинового тока. Тем не менее, подходы к успешному использованию орбитального углового момента электронов могут открыть возможность для разработки нового класса устройств, называемых орбитроникой.

Исследователи из Университета Кейо и Университета Иоганна Гутенберга сообщают об успешной генерации орбитального тока из динамики намагничивания, феномене, называемом орбитальной накачкой. В их статье, опубликованной в Nature Electronics, излагается многообещающий подход, который может позволить инженерам разрабатывать новые технологии, использующие орбитальный угловой момент электронов.

«Наша работа была вдохновлена текущими исследованиями в области спинтроники и орбитроники, орбитального аналога спинтроники», — рассказал Phys.org Казуя Андо, доцент Университета Кейо.

«Спинтроника продвинулась вперед благодаря исследованию физики спинового тока, потока спинового углового момента. Недавние исследования выявили решающую роль орбитального тока, аналога спинового тока, в твердотельных устройствах. Однако генерация орбитальных токов остается серьезной проблемой».

Недавнее исследование Андо и его коллег черпает вдохновение из спиновой накачки, хорошо известного явления, которое позволяет инженерам генерировать спиновые токи. Основной целью их исследования было реализовать орбитальный аналог этого явления, названный орбитальной накачкой.

«Мы считаем, что демонстрация орбитальной накачки расширяет фундаментальное понимание орбитроники и открывает новые возможности для исследований и технологических приложений», — сказал Андо.

Орбитальная накачка по сути подразумевает генерацию орбитального тока посредством динамики намагничивания (т. е. плотности магнитных дипольных моментов, индуцируемых в магнитных материалах при их размещении вблизи магнита). Для проведения своих экспериментов Андо и его коллеги специально использовали двухслойную структуру из никеля и титана.

«Прикладывая к структуре радиочастотное магнитное поле, мы возбуждали динамику намагничивания в слое никеля, что, в свою очередь, генерировало орбитальный ток в слое титана посредством орбитальной накачки», — пояснил Андо. «Мы обнаружили этот орбитальный ток электрически, используя обратный орбитальный эффект Холла, явление, которое преобразует орбитальный ток в ток заряда».

Приложив магнитное поле к своей структуре из никеля и титана, исследователи смогли успешно продемонстрировать орбитальную накачку. Таким образом, методы, которые они использовали, в конечном итоге оказались эффективными для генерации орбитального тока в экспериментальных условиях.

«В развитии спинтроники, основанной на спиновом токе, спиновая накачка сыграла решающую роль, открыв множество явлений и функций, возникающих из спиновых токов», — сказал Андо. «Точно так же наше открытие орбитальной накачки, орбитального аналога спиновой накачки, как ожидается, послужит фундаментальной основой для новых электронных технологий и физики, основанных на орбитальных токах».

Многообещающие результаты, достигнутые Андо и его коллегами, вскоре могут проложить путь новым исследованиям, направленным на генерацию орбитальных токов посредством намагничивания. Эти работы в конечном итоге могут привести к внедрению орбитронных устройств, класса электроники, который до сих пор в значительной степени игнорировался.

«Наши будущие исследования будут сосредоточены на дальнейшем понимании фундаментальных свойств орбитальных токов и их взаимодействия с динамикой намагничивания», — добавил Андо.

«Мы также стремимся прояснить комбинированные эффекты спиновых токов и орбитальных токов для разработки устройств, которые используют как спиновый, так и орбитальный угловой момент электронов. Благодаря этим усилиям мы надеемся продвинуть вперед области спинтроники и орбитроники, проложив путь для новых электронных технологий».