2D-materialen en interfaces kunnen spinstroom omzetten in een vortex van laadstroom

Energie-efficiënte spintronische apparaten zijn bijna gerealiseerd dankzij een nieuw mechanisme dat door natuurkundigen van RIKEN is voorspeld voor het omzetten tussen elektrische stroomwervels en een spinstroom.

Naast de negatieve elektrische lading heeft een elektron een eigenschap die bekend staat als spin, die een van twee waarden kan aannemen: omhoog of omlaag. Net zoals de lading van een elektron wordt gebruikt voor informatieverwerking in de elektronica, zou de stroom van spin kunnen worden gebruikt in het opkomende gebied van spintronica. Spintronica heeft het voordeel dat het energiezuiniger is dan conventionele elektronica, aangezien een spinstroom, in tegenstelling tot een elektrische stroom, geen Joule-warmte genereert.

Een efficiënt mechanisme om een ​​elektronische stroom om te zetten in een spinstroom en vice versa is cruciaal voor de ontwikkeling van spintronische apparaten.

Nu hebben Sadamichi Maekawa en Seiji Yunoki, beide van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, samen met hun collega’s met behulp van numerieke simulaties de omzetting van een spinstroom in een roterende vortex van laadstroom aangetoond (Fig. 1).

Het team kwam op het idee om het Rashba-effect te benutten – een ongebruikelijk fenomeen dat in 1959 werd ontdekt. ​​Het komt voor op sommige oppervlakken of de interfaces tussen twee materialen, waar de atomaire structuur niet langer symmetrisch is. Het Rashba-effect zorgt ervoor dat de spin en orbitale beweging van een elektron op elkaar inwerken.

“Spin-orbit-koppeling is een relativistisch effect dat de spin en orbitale beweging van elektronen vermengt”, legt Maekawa uit. “Rashba-koppeling is belangrijk in oxide-interfacestructuren en in sommige tweedimensionale materialen, waar het verschillende nieuwe topologische verschijnselen produceert die nuttig zijn voor spintronica.”

Maekawa en zijn collega’s gebruikten grootschalige computersimulaties om te modelleren wat er zou gebeuren als een spinstroom in een Rashba-materiaal wordt geïnjecteerd via een puntgroot elektrisch contact. Het team overwoog een opstelling waarin de richting van de spins loodrecht op het Rashba-materiaal staat, en hun simulaties gaven aan dat dit een roterende stroom van laadstroom creëerde. Dit is het resultaat van een fundamentele wet dat het impulsmoment altijd behouden moet blijven, en dus zet de junctie het geïnjecteerde spinimpulsmoment meestal om in het orbitale impulsmoment van de huidige vortex.

“In de elektronica is de dynamiek van elektronen alles: zowel diffuse stroming als hydrodynamische of turbulente beweging”, zegt Maekawa. In de spintronica is tot nu toe echter alleen rekening gehouden met de diffuse elektronenstroom. “Met het genereren van laadstroomvortices, toont ons werk de mogelijkheid van hydrodynamische spintronica, die spintronica uitbreidt met het hydrodynamische regime van elektronen.”