科學家在一種量子材料中,發現自旋態與軌態各自「獨立」

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 19 日 14:38 | 分類 尖端科技 , 材料 , 材料、設備 Telegram share ! follow us in feedly


在設計電子設備時,科學家思考著如何操縱電子的電荷、自旋態與原子軌域(軌態),並且後兩者變化常常牽扯在一起。然而美國 SLAC 國家加速器實驗室最近研究發現,可以利用雷射脈衝改變一個材料的電子自旋態、但同時維持軌態不變。

釹鍶錳氧(NSMO)這種量子材料已存在逾 30 年,它具有極薄結晶層,並且被用於藉磁場將一種電子自旋態(spin state)切換到另一種電子自旋態的訊息儲存設備中;NSMO 也被認為是製造基於史科子(skyrmion)的儲存裝置材料。

但這種材料非常複雜,和當今熟悉的半導體材料不同,NSMO 是量子材料,電子並非獨立行動而通常是協同表現,因此很難在控制單一電子行為的情況下不影響其他特性。

研究這種材料的一種常見方法是用雷射光照射它,以觀察電子如何應對能量的注入,由史丹佛大學材料與能源科學研究所(SIMES)科學家 Joshua Turner 領導的國際研究團隊,便利用 SLAC 的 LSLC 雷射器觀察材料。

研究人員原本預期看到材料吸收近紅外雷射脈衝時,材料中原本有序的電子自旋態和軌態會變得混亂,然而驚訝的是,他們只看到自旋態「熔化」,軌態卻保持不變。

就像在自旋電子學中切換電子自旋態一樣,科學家也可以切換電子軌態來達到類似目的,而基於後者的設備運行速度,理論上比前者快 10,000 倍。現在科學家發現可用太赫茲輻射級短脈衝而非磁場在 2 個軌態間進行切換,若能結合兩者,將為新應用提供更佳效能。

新論文發表在《物理評論 B》(Physical Review B Rapid Communications)期刊。

(首圖來源:SLAC