Spintronik-Durchbruch - Wissenschaftler bestätigen ein zuvor unbemerktes physikalisches Phänomen

Eine aktuelle Studie hat den "orbitalen Hall-Effekt" identifiziert, ein Phänomen, das die Datenspeicherung in zukünftigen Computergeräten erheblich verbessern könnte. Diese Entdeckung, bei der durch die bahnbewegung von Elektronen elektrische Energie erzeugt wird, bietet potenzielle Fortschritte im Bereich der Spintronik und führt zu effizienteren, schnelleren und zuverlässigeren magnetischen Materialien. Quelle: SciTechDaily.com

In einem neuen Durchbruch haben Forscher eine neuartige Technik verwendet, um ein zuvor unentdecktes physikalisches Phänomen nachzuweisen, das dazu verwendet werden könnte, die Datenspeicherung in der nächsten Generation von Computergeräten zu verbessern.

Spintronische Speicher, die in fortgeschrittenen Computern und Satelliten eingesetzt werden, nutzen die magnetischen Zustände, die durch den intrinsischen Drehimpuls der Elektronen für die Datenspeicherung und -abfrage erzeugt werden. Abhängig von ihrer physikalischen Bewegung erzeugt der Spin eines Elektrons einen magnetischen Strom. Dies wird als "Spin-Hall-Effekt" bezeichnet und hat wichtige Anwendungen für magnetische Materialien in vielen verschiedenen Bereichen, von energiesparender Elektronik bis zur grundlegenden Quantenmechanik.

In jüngster Zeit haben Wissenschaftler herausgefunden, dass Elektronen auch in der Lage sind, durch eine zweite Art von Bewegung Elektrizität zu erzeugen: den bahndrehimpuls, ähnlich wie die Erde um die Sonne kreist. Dies wird als "orbitaler Hall-Effekt" bezeichnet, sagte Roland Kawakami, Co-Autor der Studie und Professor für Physik an der Ohio State University.

Theoretiker haben vorhergesagt, dass durch die Verwendung von Übergangsmetallen, Materialien, die schwache Spin-Hall-Ströme haben, die magnetischen Ströme, die durch den orbitalen Hall-Effekt erzeugt werden, einfacher zu erkennen wären, wenn sie gleichzeitig fließen. Bisher war es jedoch eine Herausforderung, so etwas direkt nachzuweisen. Die von Igor Lyalin, einem Doktoranden der Physik, geleitete Studie, die in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, zeigte eine Methode zur Beobachtung des Effekts.

"Über die Jahrzehnte hinweg gab es eine kontinuierliche Entdeckung verschiedener Hall-Effekte", sagte Kawakami. "Aber die Idee dieser orbitalen Ströme ist wirklich brandneu. Das Schwierige daran ist, dass sie in typischen Schwermetallen mit Spinströmen vermischt sind und es schwierig ist, sie voneinander zu unterscheiden."

Anstelle dessen hat Kawakamis Team den orbitalen Hall-Effekt durch Reflexion polarisierten Lichts nachgewiesen, in diesem Fall einen Laser, auf verschiedene dünnfilme des leichten Metalls Chrom, um die Atome des Metalls auf einen möglichen Aufbau von bahndrehimpuls zu untersuchen. Nach fast einem Jahr akribischer Messungen konnten die Forscher ein klares magneto-optisches Signal nachweisen, das zeigte, dass Elektronen an einem Ende des Films starke Eigenschaften des orbitalen Hall-Effekts aufwiesen.

Diese erfolgreiche Entdeckung könnte enorme Auswirkungen auf zukünftige Anwendungen der Spintronik haben, sagte Kawakami.

"Das Konzept der Spintronik existiert seit etwa 25 Jahren und hat sich für verschiedene Speicheranwendungen als sehr gut erwiesen, aber jetzt versuchen die Menschen, weiterzugehen", sagte er. "Jetzt ist eines der größten Ziele des Bereichs, den Energieverbrauch zu reduzieren, denn das ist der begrenzende Faktor für die Leistungssteigerung."

Eine Verringerung der Gesamtenergiemenge, die für zukünftige magnetische Materialien benötigt wird, um gut zu funktionieren, könnte potenziell einen geringeren Energieverbrauch, höhere Geschwindigkeiten und eine höhere Zuverlässigkeit ermöglichen und gleichzeitig die Lebensdauer der Technologie verlängern. Die Nutzung von orbitalen Strömen anstelle von Spinströmen könnte langfristig sowohl Zeit als auch Geld sparen, sagte Kawakami.

Dieser Forschungserfolg eröffnet laut den Forschern einen Weg, mehr darüber zu erfahren, wie diese seltsamen physikalischen Phänomene in anderen Arten von Metallen entstehen. Sie möchten weiterhin die komplexe Verbindung zwischen Spin-Hall-Effekten und orbitalen Hall-Effekten erforschen.

Referenz: "Magneto-Optische Nachweis des orbitalen Hall-Effekts in Chrom" von Igor Lyalin, Sanaz Alikhah, Marco Berritta, Peter M. Oppeneer und Roland K. Kawakami, 11. Oktober 2023, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.156702

Weitere Co-Autoren waren Sanaz Alikhah und Peter M. Oppeneer von der Uppsala-Universität und Marco Berritta sowohl von der Uppsala-Universität als auch von der University of Exeter. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation, dem Swedish Research Council, der Swedish National Infrastructure for Computing und der K. and A. Wallenberg Foundation unterstützt.