Al diseñar dispositivos electrónicos, los científicos buscan formas de manipular y controlar tres propiedades básicas de los electrones:su carga; sus estados de giro, que dan lugar al magnetismo; y las formas de las nubes borrosas que forman alrededor de los núcleos de los átomos, que se conocen como orbitales.

Hasta ahora, Se pensaba que los espines de electrones y los orbitales iban de la mano en una clase de materiales que es la piedra angular de la tecnología de la información moderna; no se puede cambiar rápidamente uno sin cambiar el otro. Pero un estudio en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía muestra que un pulso de luz láser puede cambiar drásticamente el estado de giro de una clase importante de materiales mientras deja intacto su estado orbital.

Los resultados sugieren un nuevo camino para hacer una generación futura de dispositivos lógicos y de memoria basados ​​en "orbitronics, "dijo Lingjia Shen, un investigador asociado de SLAC y uno de los investigadores principales del estudio.

"Lo que estamos viendo en este sistema es todo lo contrario de lo que la gente ha visto en el pasado, ", Dijo Shen." Se plantea la posibilidad de que podamos controlar el giro de un material y los estados orbitales por separado, y utilizar variaciones en las formas de los orbitales como los 0 y 1 necesarios para realizar cálculos y almacenar información en las memorias de la computadora ".

El equipo de investigación internacional, dirigido por Joshua Turner, un científico e investigador del personal de SLAC del Instituto de Stanford para la Ciencia de los Materiales y la Energía (SIMES), informó sus resultados esta semana en Revisión física B Comunicaciones rápidas .

Un intrigante material complejo

El material que estudió el equipo fue un material cuántico a base de óxido de manganeso conocido como NSMO, que viene en capas cristalinas extremadamente delgadas. Ha existido durante tres décadas y se usa en dispositivos donde la información se almacena mediante el uso de un campo magnético para cambiar de un estado de espín de electrones a otro. un método conocido como espintrónica. NSMO también se considera un candidato prometedor para fabricar futuras computadoras y dispositivos de almacenamiento de memoria basados ​​en skyrmions, diminutos vórtices en forma de partículas creados por los campos magnéticos de los electrones en rotación.

Pero este material también es muy complejo, dijo Yoshinori Tokura, director del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente en Japón, que también participó en el estudio.

"A diferencia de los semiconductores y otros materiales familiares, NSMO es un material cuántico cuyos electrones se comportan de forma cooperativa, o correlacionado, conducta, en lugar de de forma independiente como suele hacer, "Esto hace que sea difícil controlar un aspecto del comportamiento de los electrones sin afectar a todos los demás".

Una forma común de investigar este tipo de material es golpearlo con luz láser para ver cómo responden sus estados electrónicos a una inyección de energía. Eso es lo que hizo el equipo de investigación aquí. Observaron la respuesta del material con pulsos de láser de rayos X de la fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC.

Uno se derrite el otro no

Lo que esperaban ver era que los patrones ordenados de espines de electrones y orbitales en el material serían arrojados a un desorden total, o "derretido, "ya que absorbieron pulsos de luz láser en el infrarrojo cercano.

Pero para su sorpresa, solo los patrones de giro se derritieron, mientras que los patrones orbitales permanecieron intactos, Turner dijo. El acoplamiento normal entre los estados de giro y orbital se había roto por completo, él dijo, lo cual es algo desafiante de hacer en este tipo de material correlacionado y no se había observado antes.

Tokura dijo:"Por lo general, solo una pequeña aplicación de fotoexcitación destruye todo. Aquí, pudieron mantener intacto el estado de electrones que es más importante para los dispositivos futuros, el estado orbital. Esta es una nueva y agradable adición a la ciencia de la orbitrónica y los electrones correlacionados ".

Por mucho que los estados de espín de los electrones se cambien en la espintrónica, Los estados orbitales de los electrones podrían cambiarse para proporcionar una función similar. Estos dispositivos orbitrónicos podrían, En teoria, operar 10, 000 más rápido que los dispositivos espintrónicos, Dijo Shen.

El cambio entre dos estados orbitales podría ser posible mediante el uso de ráfagas cortas de radiación de terahercios, en lugar de los campos magnéticos que se utilizan hoy en día, dijo:"La combinación de los dos podría lograr un rendimiento del dispositivo mucho mejor para aplicaciones futuras". El equipo está trabajando en formas de hacerlo.