Traditionele elektronica vertrouwt op het benutten van de lading van elektronen, maar onderzoekers onderzoeken nu de mogelijkheid om andere intrinsieke eigenschappen van elektronen aan te boren. In een studie van een Japanse onderzoeksgroep werd aangetoond dat geluidsgolven in bepaalde vaste materialen orbitale stromen kunnen genereren – de stroom van de orbitale hoeken van elektronen.
Deze bevindingen leggen de basis voor het realiseren van de volgende generatie ‘orbitronische’ apparaten met behulp van bestaande akoestische technologie.
Sinds de ontdekking van elektriciteit zijn talloze technologische vooruitgangen afhankelijk geweest van het gebruik van de elektrische lading van elektronen, wat het fundamentele principe is achter de meeste traditionele elektronica. Nu conventionele elektronische apparaten hun praktische grenzen naderen, richten wetenschappers zich op het manipuleren van andere eigenschappen van het elektron. Bijvoorbeeld, het benutten van de spin van elektronen in de spintronica belooft energiezuinige computing door gebruik te maken van spinstromen voor de informatieoverdracht.
Orbitronica en de zoektocht naar nieuwe mechanismen
Er is nog een onbenutte eigenschap van elektronen: hun orbitale hoekenmoment. Deze eigenschap is de basis van ‘orbitronica’, een nieuw onderzoeksgebied dat zoekt naar het gebruik van de stroom van orbitale hoekenmoment (orbitale stromen) als een nieuw medium voor informatieoverdracht en apparaatfunctionaliteit.
Ondanks het potentieel van orbitronica zijn er nog niet veel praktische en schaalbare manieren om deze orbitale stromen te genereren en te beheersen, en de mechanismen voor hun generatie blijven grotendeels onontdekt. Kunnen geluidsgolven de sleutel zijn tot het produceren en beheersen hiervan?
Om deze vraag te beantwoorden, heeft een onderzoeksteam uit Japan de akoestische generatie van orbitale stromen onderzocht. De studie werd geleid door Ph.D. student Mari Taniguchi en professor Kazuya Ando van de Keio Universiteit in Japan. Hun paper in Nature Communications verkent twee nieuwe fysieke fenomenen – het akoestische orbitale Hall-effect en akoestische orbitale pompwerking – die samen een basis leggen voor het integreren van geluids-technologie met orbitale fysica.
Hoe geluidsgolven orbitale stromen genereren
De experimenten richtten zich op titanium (Ti)/nikkel (Ni) bilagen, een materiaal systeem dat bekend staat om zijn robuuste orbitaal respons. Het team vervaardigde Ti/Ni apparaten op een speciaal substraat en gebruikte oppervlaktetrillingsgolven (SAW’s), geluidsgolven die beperkt zijn tot het oppervlak van een materiaal, om de lattice-dynamica te exciteren.
Het gebruik van Ti was cruciaal; aangezien het zeer zwakke spin-orbit koppeling heeft, kon elk waargenomen signaal met vertrouwen worden toegeschreven aan de orbitale vrijheid in plaats van spin-effecten. Het doel was om te zien of de mechanische trilling van de lattice zijn hoekenmoment kon overdragen aan de orbitale van elektronen.
De onderzoekers observeerden met succes de generatie van orbitale stromen via twee verschillende akoestische mechanismen. Ten eerste toonden ze akoestische orbitale pompwerking aan, waarbij een door SAW aangedreven akoestische ferromagnetische resonantie een orbitale stroom van de Ni-laag naar de Ti-laag injecteerde. Ten tweede bevestigden ze de generatie van een akoestisch orbitale Hall-effect. Door een gelijkstroomspanning te meten die werd gegenereerd door een niet-resonante SAW, toonden ze aan dat de geluidsgolf die zich in één richting voortplant, een orbitale stroom genereerde die er loodrecht op stond.
Gevolgen voor toekomstige elektronica en onderzoek
Samengevoegd vertegenwoordigen deze bevindingen een belangrijke conceptuele doorbraak. Prof. Ando merkt op: “Aangezien de orbitale stroom pas een paar jaar geleden werd ontdekt, zijn de mechanismen voor de generatie ervan grotendeels onontdekt gebleven. Door de sterke koppeling tussen de orbitale vrijheid van elektronen en de kristallattice te erkennen, onderzochten we en bevestigden we de mogelijkheid om orbitale stromen te genereren via fononen – de trillingen van de lattice.”
Dit werk verduidelijkt niet alleen de aard van orbitale stromen die in vaste stoffen ontstaan, maar legt ook de basis voor nieuwe ontwerpbeginselen in toekomstige elektronische apparaten.
Toekomstige studies zullen zich richten op het beter begrijpen van de microscopische mechanismen achter het akoestische orbitale Hall-effect en het optimaliseren van apparaatarchitecturen om orbitale stromen betrouwbaarder en efficiënter te genereren. Met wat geluk zal dit de overgang van orbitronica van een puur theoretisch concept naar technologieën van de volgende generatie versnellen.
