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I ricercatori utilizzano un raggio di vortice ottico per creare uno schema coerente di spin di elettroni in un sottile strato di materiale semiconduttore.
I dispositivi elettronici basati sullo spin, o “spintronici”, possono utilizzare tecniche che convincono un elettrone a ruotare in modelli spaziali fissi chiamati trame di spin. Un nuovo esperimento mostra che un fotovortice, un raggio di luce che trasporta il momento angolare orbitale, può generare una trama di spin stabile in un semiconduttore. [1]. Il gruppo di ricerca ha dimostrato che il vortice genera uno schema di linee che hanno potenziali usi nell’elaborazione delle informazioni di spin. Precedenti esperimenti hanno stimolato otticamente queste trame a strisce, ma il fotovortice ha una struttura che quasi si sovrappone al motivo a strisce, consentendo una più rapida formazione della trama del fuso.
Lo spin degli elettroni non legati in un materiale può essere allineato da un campo magnetico o da una luce polarizzata. Ma mentre questi elettroni si muovono, sia per diffusione che per conduzione, inizieranno a ruotare in risposta a quelle che vengono chiamate interazioni spin-orbita all’interno del materiale. La direzione e la velocità di questi spin per ogni dato elettrone dipende dal percorso che prende. Pertanto, due elettroni vicini che iniziano un allineamento diventeranno disallineati mentre si muovono lungo percorsi diversi, anche se raggiungono la stessa destinazione. Quindi preservare il tessuto elettronico rotante sembra un progetto condannato.
Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che possono creare texture regolando le interazioni spin-orbita in modo che si comportino effettivamente come un campo magnetico unidirezionale in tutto il materiale. [2]. Un tale campo ruota uniformemente tutti gli elettroni che si muovono attraverso il materiale in una data direzione, indipendentemente dal fatto che un singolo elettrone prenda un percorso rettilineo o un percorso a zig-zag a causa della dispersione. Questa coordinazione tra il movimento dell’elettrone e lo spin dello spin si traduce in un tessuto sigmoideo chiamato elica sigmoidea stabile (PSH). Lo stato PSH, che consiste in regioni di spin allineate che formano linee, ha potenziali usi in dispositivi spintronici come i transistor ad effetto di campo di spin. [3].
I ricercatori hanno dimostrato di poter generare PSH che durano pochi nanosecondi – molto tempo per gli standard degli elettroni – puntando un raggio di luce su un gruppo di elettroni confinati in un singolo strato atomico in un semiconduttore. La luce allinea lo spin dell’elettrone e, man mano che questi elettroni si diffondono verso l’esterno dal sito del raggio, si sviluppano nel tessuto PSH. “Poiché è necessaria la propagazione dello spin, ci vuole tempo per formare lo schema dello spin a strisce usando il metodo tipico”, afferma Jun Ishihara della Tokyo University of Science.
Ishihara e colleghi hanno ideato un metodo più diretto utilizzando un raggio di vortice ottico, la cui polarizzazione varia secondo uno schema periodico attorno alla regione centrale scura del raggio. Il numero di giri di polarizzazione attorno all’asse del raggio è correlato al momento angolare orbitale del vortice. Facendo brillare questo raggio su un campione di arseniuro di gallio semiconduttore, i ricercatori hanno impresso uno schema di rotazione circolare negli elettroni in uno strato all’interno del materiale. Le dimensioni dei punti del ciclo su e giù in questo modello iniziale erano simili alle larghezze delle bande nel tessuto PSH richiesto dal team.
I ricercatori hanno osservato la trama di spin risultante in tempi successivi utilizzando un raggio di sonda in grado di rilevare la direzione di rotazione dell’elettrone. Hanno scoperto che uno schema con linee larghe 5 micrometri è apparso nel semiconduttore circa 10 picosecondi dopo che il raggio del vortice è stato eccitato, mentre lo stesso schema a strisce ha impiegato 100 picosecondi per formarsi quando il team ha utilizzato un raggio laser convenzionale. Ishihara e colleghi hanno anche dimostrato che, oltre a una generazione più rapida di tessuto PSH, un singolo raggio di vortice può creare due tessuti PSH con fasi opposte. Questo controllo della rotazione non è stato dimostrato con travi normali.
“Questo lavoro porta la manipolazione ottica delle trame di spin a un livello superiore”, afferma Alan Bristow, esperto di elettronica a raggi X della West Virginia University. Dice che il momento angolare orbitale nel raggio del vortice può essere fatto corrispondere alle naturali oscillazioni di spin negli elettroni. “Questo lavoro apre la porta a un’ulteriore esplorazione della manipolazione ottica ultraveloce delle trame di spin nei dispositivi a semiconduttore”, afferma Bristow.
-Michael Sherber
Michael Sherber, redattore corrispondente Giornale di fisica Con sede a Lione, Francia.
Riferimenti
- J.Ishihara et al.Imprinting della struttura elicoidale spaziale di un raggio di vortice vettoriale su una trama di spin di un semiconduttore. Fis. Rev. Litt. 130126701 (2023).
- B. Andrej Bernevig et al.“Un preciso analogo SU(2) di un toro a spirale continua in un sistema di accoppiamento spin-orbita,” Fis. Rev. Litt. 97236.601 (2006).
- Y. Kunihashi et al.Proposta di un transistor ad effetto di campo complementare allo spin. App Fisica. Lett. 100113502 (2012).