Optisch getriggerde terahertz orbitale impulsmomentstromen. Bij ultrasnelle laserexcitatie van de nikkel (Ni) laag ontstaat een overmaat aan Ni-magnetisatie, wat leidt tot een accumulatie μ_L orbitaal hoekmomentum en de injectie van een orbitale stroom j_L in de wolfraam (W) laag. Aan de achterkant genereert een interface-orbitaal-naar-lading conversiemechanisme – het inverse orbitale Rashba Edelstein-effect (IOREE) – een ultrasnelle laadstroom j_C in het vlak die een terahertz elektromagnetische puls met elektrische veldamplitude E uitzendt. Credit: Tom S. Seifert
Orbitronica is een recent opkomend onderzoeksgebied naar de manipulatie van de orbitale vrijheidsgraad van elektronen voor kwantuminformatietechnologie. Het ondubbelzinnig detecteren van de ultrasnelle dynamiek van het orbitale impulsmoment is tot nu toe echter een uitdaging geweest.
Door gebruik te maken van de modernste THz-spectroscopie hebben wetenschappers van de Freie Universität Berlin samen met nationale en internationale partners voor het eerst de ultrasnelle en langeafstandsstroom van orbitaal gepolariseerd elektron opgehelderd. De onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.
Verrassend genoeg laten de resultaten zien dat de informatie die is opgeslagen in de orbitale vrijheidsgraden ongeveer 100 keer langer aanwezig is dan de informatie die is opgeslagen in het tweede impulsmomentkanaal van het elektron: de spinvrijheidsgraad. De ontdekking markeert een belangrijke stap in de richting van gegevensverwerking met THz-snelheden en lage energiedissipatie in orbitronische apparaten.
Een tijddomeinobservatie van orbitale impulsmomentstromen
“Onze methode voor het genereren en meten van orbitale impulsmomentstromen maakt een directe observatie in het tijddomein mogelijk van hun voortplantings- en relaxatiedynamiek met femtoseconderesolutie”, zegt Tom S. Seifert, eerste auteur van de studie en projectleider bij de Terahertz Physics Research Group bij de Freie Universität Berlin, die het onderzoek leidde.
In hun werk gebruikten de onderzoekers femtoseconde laserpulsen om ultrasnelle orbitale impulsmomentstromen op te wekken in Ni|W dunnefilmstapels en maten ze de uitgezonden terahertz elektromagnetische pulsen. Deze informatie stelde hen in staat de stroom van het orbitale impulsmoment door wolfraam als functie van de tijd met femtoseconde-precisie te reconstrueren.
‘We ontdekten dat orbitale impulsmomentstromen in wolfraam zich met lage snelheden voortbewegen, maar heel ver reiken’, zegt Dongwook Go, tweede auteur van de studie en theoretisch natuurkundige aan het Peter-Grünberg-Instituut in Jülich. Dergelijk onverwacht gedrag werd ook gereproduceerd door ab-initio-simulaties die de cruciale rol van het achteroppervlak van wolfraam voor een efficiënte conversie van orbitaal naar laadstroom onthulden.
On-the-fly spin- en orbitaal transport ontwarren
Deze studie benadrukt de kracht van breedband terahertz-emissiespectroscopie bij het ontwarren van spin- en orbitaal impulsmomenttransport, evenals Hall-achtige en Rashba-Edelstein-achtige conversieprocessen op basis van hun verschillende dynamiek.
Seifert en collega’s ontdekken dat Ni een goede orbitale impulsmomentbron is, terwijl W een goede orbitaal-naar-lading-omzetter is. Deze resultaten zijn een belangrijke stap in de richting van de identificatie van ideale bronnen en detectoren van orbitale impulsmomentstromen, die sterk zullen profiteren van nauwkeurige theoretische voorspellingen.
“Op de lange termijn zouden terahertz-stromen met een orbitaal impulsmoment ultrasnelle gegevensverwerking met weinig dissipatie mogelijk kunnen maken, een al lang bestaand doel voor toekomstige technologie”, zegt Tom S. Seifert.
Meer informatie:
Tom S. Seifert et al., Tijddomeinobservatie van ballistische orbitale impulsmomentstromen met gigantische relaxatielengte in wolfraam, Natuur Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01470-8
Tijdschriftinformatie:
Natuur Nanotechnologie
Aangeboden door de Vrije Universiteit van Berlijn
