Η ανίχνευση ρεύματος σε κβαντικά υλικά αποδεσμεύει δυνατότητες για εναλλακτικά ηλεκτρονικά.
Μια νέα μέθοδος που μετράει με ακρίβεια τη μυστηριώδη συμπεριφορά και τις μαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων που ρέουν στην επιφάνεια των κβαντικών υλικών θα μπορούσε να ανοίξει μια διαδρομή προς τα ηλεκτρονικά της επόμενης γενιάς.
Βρίσκονται ακριβώς στην καρδιά των ηλεκτρονικών συσκευών. Οι ημιαγωγοί με βάση το πυρίτιο βασίζονται στο ελεγχόμενο ηλεκτρικό ρεύμα που είναι υπεύθυνο για την τροφοδοσία ηλεκτρονικών. Αυτοί οι ημιαγωγοί μπορούν να έχουν πρόσβαση μόνο στο ηλεκτρόνιο για την ενέργεια, αλλά τα ηλεκτρόνια κάνουν περισσότερα πράγματα από το να φέρουν ένα φορτίο. Έχουν επίσης εγγενή γωνιακή ορμή γνωστή ως spin, η οποία είναι ένα χαρακτηριστικό των κβαντικών υλικών που, αν και αόριστα, μπορούν να χειριστούν για την ενίσχυση ηλεκτρονικών συσκευών.
Μια ομάδα επιστημόνων, με επικεφαλής τον An-Ping Li στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge της Department of Energy, ανέπτυξε μια καινοτόμο τεχνική μικροσκοπίας για την ανίχνευση της περιστροφής ηλεκτρονίων στους τοπολογικούς μονωτήρες, ένα νέο είδος κβαντικού υλικού που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως η σπιντρονική και ο κβαντικός υπολογισμός.
“Το ρεύμα περιστροφής, δηλαδή η ολική γωνιακή ορμή των κινούμενων ηλεκτρονίων, είναι μια συμπεριφορά στους τοπολογικούς μονωτήρες που δεν μπορούσαν να ληφθούν υπόψη μέχρι να αναπτυχθεί μια ευαίσθητη μέθοδος περιστροφής”, δήλωσε ο Λι.
Οι ηλεκτρονικές συσκευές συνεχίζουν να εξελίσσονται ταχύτατα και απαιτούν περισσότερη ισχύ συσκευασμένη σε μικρότερα εξαρτήματα. Αυτό υποδηλώνει την ανάγκη για λιγότερο δαπανηρές, ενεργειακά αποδοτικές εναλλακτικές λύσεις για τα ηλεκτρονικά φορτισμένης βάσης. Ένας τοπολογικός μονωτής φέρει ηλεκτρικό ρεύμα κατά μήκος της επιφάνειάς του, ενώ βαθύτερα εντός του χύδην υλικού, ενεργεί ως μονωτήρας. Τα ηλεκτρόνια που ρέουν στην επιφάνεια του υλικού παρουσιάζουν ομοιόμορφες κατευθύνσεις spin, αντίθετα με έναν ημιαγωγό όπου τα ηλεκτρόνια στρέφονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις.
“Οι συσκευές που βασίζονται στην τυπική μέθοδο είναι λιγότερο ενεργειακά αποδοτικές από αυτές που βασίζονται στο spin,” δήλωσε ο Λι. “Για να είναι χρήσιμες οι περιστροφές, πρέπει να ελέγξουμε τη ροή και τον προσανατολισμό τους”.
Για να ανιχνεύσουμε και να κατανοήσουμε καλύτερα αυτή τη συμπεριφορά ιδιόμορφων σωματιδίων, η ομάδα χρειάστηκε μια μέθοδο ευαίσθητη στην περιστροφή των κινούμενων ηλεκτρονίων. Νέα προσέγγιση της μικροσκοπία που δοκιμάστηκε σε μία μονού κρυστάλλου του Bi 2 Te 2 Se, ένα υλικό που περιέχει βισμούθιο, τελλούριο και το σελήνιο. Μετράει πόση τάση παράγεται κατά μήκος της επιφάνειας του υλικού καθώς η ροή των ηλεκτρονίων μετακινείται μεταξύ συγκεκριμένων σημείων, ενώ ανιχνεύει την τάση για την περιστροφή κάθε ηλεκτρονίου.
Η νέα μέθοδος βασίζεται σε ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας τεσσάρων ανιχνευτών – ένα όργανο που μπορεί να εντοπίσει την ατομική δραστηριότητα του υλικού με τέσσερις κινητές άκρες ανίχνευσης – προσθέτοντας ένα στοιχείο για να παρατηρήσει τη συμπεριφορά περιστροφής ηλεκτρονίων στην επιφάνεια του υλικού. Αυτή η προσέγγιση δεν περιλαμβάνει μόνο μετρήσεις ευαισθησίας spin. Περιορίζει επίσης το ρεύμα σε μια μικρή περιοχή στην επιφάνεια, η οποία βοηθά στη διαφυγή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια, παρέχοντας αποτελέσματα υψηλής ανάλυσης.
“Ανιχνεύσαμε επιτυχώς μια τάση που δημιουργήθηκε από το ρεύμα περιστροφής του ηλεκτρονίου”, δήλωσε ο Li, σε ένα έγγραφο που δημοσίευσε η Physical Review Letters που εξηγεί τη μέθοδο. “Αυτή η εργασία παρέχει σαφείς αποδείξεις για το ρεύμα περιστροφής στα τοπολογικά μονωτικά και ανοίγει μια νέα λεωφόρο για τη μελέτη άλλων κβαντικών υλικών που θα μπορούσαν τελικά να εφαρμοστούν σε ηλεκτρονικές συσκευές επόμενης γενιάς”.
