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軌道角動量單極子證實存在,可推動電子學新興領域發展

2024-09-28 01:01:00 點擊數:

科技日報記者 張夢然

軌道角動量(OAM)單極子目前是理論物理學研究的重點,因為它為新興的軌道電子學帶來巨大的實際優勢。最近,科學家結合理論分析與瑞士光源(SLS)的實驗工作,證實了這些單極子的存在。該發現27日發表在《自然·物理學》雜志上。

軌道電子學是一種比傳統電子學更加節能的技術,其關鍵是OAM。現在,由瑞士保羅謝爾研究所和德國馬克斯·普朗克研究所領導的一個國際團隊已經證明,手性拓撲半金屬具有生成OAM電流的理想特性。這類材料擁有螺旋結構,天然地賦予了材料OAM的特定模式或紋理,使其能夠流動。而一種特殊的OAM構造——OAM單極子,在這些材料中特別引人注目。在這個單極子中,OAM從中心點向四周輻射,類似于一只蜷縮成球的刺猬。

OAM單極子之所以吸引人,是因為它的OAM在所有方向上都是均勻分布的,意味著信息流可在任何方向上產生。為了觀察到單極子,團隊采用了圓二色性角分辨光發射光譜(CD-ARPES)技術。但是,以往由于理論預測與實驗結果之間的差距,人們難以準確解釋數據。

為此,團隊使用SLS對手性拓撲半金屬進行測試,并通過嚴格的理論檢驗每一個假設,進而采取了一個額外的關鍵步驟——改變光子的能量。經過細致的數據分析,他們發現CD-ARPES信號并不直接與OAM成正比,而是隨著光子能量的變化而變化。這樣,他們成功彌合了理論與實驗間的鴻溝,并確認了OAM單極子的存在。

此外,團隊還展示了OAM單極子的極性可以通過使用具有相反手性的晶體來翻轉,這意味著OAM的方向可以控制。這對于未來設計不同方向特性的軌道電子學器件來說非常有價值。

總編輯圈點

傳統的電子技術依賴于電子的電荷來傳輸信息,但未來更環保的技術可能會利用電子的其他屬性,比如自旋或OAM。后者的設想是使用電子繞原子核旋轉時產生的OAM作為信息載體,這就帶來了軌道電子學。現在,憑借本文的研究,軌道電子學對于未來存儲設備的巨大潛力得以體現。它可以用相對很小的電流,就產生很大的磁化強度,給人們帶來更節能高效的電子裝置。

責任編輯:左常睿

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