La orbitrónica es un campo de investigación de reciente aparición sobre la manipulación del grado de libertad orbital de los electrones para la tecnología de la información cuántica. Sin embargo, hasta ahora ha sido un desafío detectar sin ambigüedades la dinámica ultrarrápida del momento angular orbital.
Utilizando la espectroscopía THz de última generación, los científicos de la Freie Universität Berlin, junto con socios nacionales e internacionales, aclararon por primera vez el flujo ultrarrápido y de largo alcance de electrones polarizados orbitalmente. La investigación se publica en la revista Nature Nanotechnology. .
Sorprendentemente, los resultados muestran que la información almacenada en los grados de libertad orbitales prevalece durante períodos aproximadamente 100 veces más largos que la información almacenada en el segundo canal de momento angular del electrón:el grado de libertad del espín. El descubrimiento marca un paso significativo hacia el procesamiento de datos con tasas de THz y baja disipación de energía en dispositivos orbitrónicos.
"Nuestro método para generar y medir corrientes de momento angular orbital permite una observación directa en el dominio del tiempo de su dinámica de propagación y relajación con resolución de femtosegundos", dice Tom S. Seifert, primer autor del estudio y líder del proyecto en el Grupo de Investigación de Física de Terahercios en la Freie Universität Berlin, que encabezó el estudio.
En su trabajo, los investigadores utilizaron pulsos de láser de femtosegundos para excitar corrientes de momento angular orbital ultrarrápidas en pilas de películas delgadas de Ni|W y midieron los pulsos electromagnéticos de terahercios emitidos. Esta información les permitió reconstruir el flujo del momento angular orbital a través del tungsteno en función del tiempo con precisión de femtosegundos.
"Hemos descubierto que las corrientes de momento angular orbital en el tungsteno viajan a bajas velocidades pero llegan muy lejos", afirma Dongwook Go, segundo autor del estudio y físico teórico del Instituto Peter-Grünberg en Jülich. Este comportamiento inesperado también se reprodujo mediante simulaciones ab-initio que revelaron el papel crucial de la superficie posterior de tungsteno para la conversión eficiente de corriente orbital en corriente de carga.
Este estudio destaca el poder de la espectroscopia de emisión de terahercios de banda ancha para desenredar el transporte de espín y de momento angular orbital, así como los procesos de conversión tipo Hall y Rashba-Edelstein basados en sus diferentes dinámicas.
Seifert y sus compañeros encuentran que Ni es una buena fuente de momento angular orbital, mientras que W es un buen convertidor de orbital a carga. Estos resultados son un paso importante hacia la identificación de fuentes y detectores ideales de corrientes de momento angular orbital, que se beneficiarán enormemente de predicciones teóricas precisas.
"A largo plazo, las corrientes de terahercios del momento angular orbital podrían permitir un procesamiento de datos ultrarrápido y de baja disipación, un objetivo de larga data para la tecnología futura", afirma Tom S. Seifert.
Más información: Tom S. Seifert et al, Observación en el dominio del tiempo de corrientes balísticas de momento angular orbital con longitud de relajación gigante en tungsteno, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01470-8
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Libre de Berlín
