Исследователи заменяют ошибочные спиновые модели новым подходом, который работает с одномерными, двумерными и трехмерными материалами, делая спинтронику более практичной.
Концептуальное изображение вращающегося электрона.
koto_feja/Getty Images
Уже более века учёные принимают непростую истину. Квантовая механика и теория относительности, две самые успешные теории в физике, несовместимы. Это противоречие становится ещё более очевидным, когда учёные пытаются понять, как электроны ведут себя в твёрдых телах.
В то время как квантовая механика объясняет поведение электронов в малых масштабах и при низких энергиях, теория относительности становится важной, когда эти же электроны движутся достаточно быстро, что приводит к появлению странных эффектов, таких как спин-орбитальная связь. Эта связь, при которой спин электрона и его движение связаны, играет ключевую роль в разработке спиновой электроники и магнитных материалов.
Однако внутри кристалла спин-орбитальную связь крайне сложно точно моделировать, поскольку традиционные инструменты, используемые физиками, начинают давать сбои. В частности, оператор орбитального углового момента, используемый для описания вращения электронов, просто не работает должным образом в применении к твердым телам, где атомы расположены в повторяющихся структурах без полной вращательной симметрии.
Теперь группа исследователей представила новый метод, который может наконец-то согласовать эти две теории. Их работа открывает путь к более надёжному моделированию электронного спина и помогает инженерам создавать более совершенные спинтронные и квантовые устройства.
Переосмысление спина в твердых телах без орбитального углового момента
Исследователи придумали новый способ описания взаимодействия спина электрона с материалом, через который он движется, не прибегая к сложному и ненадежному инструменту, называемому оператором орбитального углового момента, который обычно вызывает проблемы в кристаллах.
Вместо этого они предложили новую идею, называемую релятивистским спин-решеточным взаимодействием. По сути, это означает, что они сосредоточились на том, как спин электрона реагирует на структуру самого твердого тела, используя принципы теории относительности Эйнштейна.
Их метод хорошо сочетается со стандартным способом, которым ученые описывают электроны в кристаллах, и учитывает повторяющийся рисунок атомов в твердом теле, который старые методы часто игнорировали.
Чтобы проверить, работает ли их идея, они протестировали ее на трех различных типах материалов, включая 3D-полупроводник (арсенид галлия), 2D-изолятор (гексагональный нитрид бора) и 1D-проводник (например, цепочки атомов платины или селена).
Во всех этих случаях новый метод дал более качественные и точные результаты при прогнозировании поведения спина и воспроизвёл известные эффекты, такие как эффект Эдельштейна и спиновый эффект Холла. «Мы демонстрируем, что этот метод обеспечивает более эффективное описание эффектов Эдельштейна и спинового эффекта Холла по сравнению с традиционными формализмами орбитального углового момента», — заявили авторы исследования.
Эффект Эдельштейна и спиновый эффект Холла важны, поскольку они показывают, как можно управлять спином электрона или использовать его для создания спиновых токов. Точно предсказывая эти эффекты, новый метод доказывает, что он может лучше моделировать реальное спиновое поведение материалов, с чем были трудности в более старых теориях.
Более того, эта модель позволяет избежать неопределённых величин и хорошо согласуется с существующими методами моделирования, поэтому её можно легко интегрировать в текущие вычислительные исследования в области физики твёрдого тела. «Наш подход полностью совместим с существующими вычислительными моделями, основанными на первых принципах, как для статической, так и для зависящей от времени теории функционала плотности», — добавили авторы исследования.
Значимость альтернативной структуры
Эта новая модель может изменить то, как ученые понимают и предсказывают поведение материалов, связанное со спином, что является важным шагом на пути развития спинтроники — технологии, которая использует спин электронов, а не их заряд, для обработки и хранения информации.
В отличие от электронных устройств, основанных на заряде, спинтроника обещает более высокие скорости и меньшее энергопотребление. Однако её развитие сдерживается пробелами в теоретических знаниях.
Благодаря более четкому и общему способу описания спин-решеточных взаимодействий исследователи теперь смогут проектировать более эффективные устройства памяти, датчики и даже строительные блоки для квантовых вычислений.
Однако теория пока находится на ранней стадии разработки. Она потребует дальнейшей проверки на более сложных материалах и экспериментальных установках. Исследовательская группа уже планирует изучить, как их модель может быть применена к топологическим материалам и другим экзотическим квантовым системам, где спиновые и релятивистские эффекты играют определяющую роль.
В случае успеха их подход может стать основополагающим инструментом, который окончательно сократит разрыв между двумя основными областями физики и позволит создать следующее поколение квантовых и спиновых технологий.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
