O telureto de germânio é um forte candidato para uso em dispositivos spintrônicos funcionais devido ao seu efeito Rashba gigante. Agora, os cientistas do HZB descobriram outro fenômeno intrigante no GeTe estudando a resposta eletrônica à excitação térmica das amostras. Para sua surpresa, o relaxamento subsequente ocorreu fundamentalmente diferente do dos semimetais convencionais. Ao controlar delicadamente os detalhes da estrutura eletrônica subjacente, novas funcionalidades dessa classe de materiais puderam ser concebidas. Eles relataram seus resultados em Materiais Avançados .
Nas últimas décadas, a complexidade e a funcionalidade das tecnologias baseadas em silício aumentaram exponencialmente, de acordo com a crescente demanda por dispositivos menores e mais capazes. No entanto, a era do silício está chegando ao fim. Com o aumento da miniaturização, efeitos quânticos indesejáveis ​​e perdas térmicas estão se tornando um obstáculo cada vez maior. Progresso adicional requer novos materiais que aproveitem os efeitos quânticos em vez de evitá-los. Dispositivos spintrônicos, que usam spins de elétrons em vez de sua carga, prometem dispositivos mais eficientes em termos de energia com tempos de comutação significativamente aprimorados e funcionalidades totalmente novas.

Os dispositivos Spintronic estão chegando

Os candidatos a dispositivos spintrônicos são materiais semicondutores em que os spins são acoplados ao movimento orbital dos elétrons. Esse chamado efeito Rashba ocorre em vários semicondutores não magnéticos e compostos semimetálicos e permite, entre outras coisas, manipular os spins do material por meio de um campo elétrico.

Primeiro estudo em um estado de não equilíbrio

Telureto de germânio hospeda um dos maiores efeitos Rashba de todos os sistemas semicondutores. Até agora, no entanto, o telureto de germânio só foi estudado em equilíbrio térmico. Agora, pela primeira vez, uma equipe liderada pelo físico do HZB Jaime-Sanchez-Barriga acessou especificamente um estado de não equilíbrio em amostras de GeTe no BESSY II e investigou em detalhes como o equilíbrio é restaurado no material em ultra-rápido (<10 ^-12 segundos) escalas de tempo. No processo, os físicos encontraram um fenômeno novo e inesperado.

Primeiro, a amostra foi excitada com um pulso infravermelho e então medida com alta resolução de tempo usando espectroscopia de fotoemissão de resolução angular (tr-ARPES). "Pela primeira vez, conseguimos observar e caracterizar todas as fases de excitação, termalização e relaxamento em escalas de tempo ultracurtas", diz Sánchez-Barriga. O resultado mais importante:"Os dados mostram que o equilíbrio térmico entre o sistema de elétrons e a rede cristalina é restaurado de uma forma altamente não convencional e contraintuitiva", explica um dos principais autores, Oliver Clark.

Equilíbrio restaurado:quanto mais frio, mais rápido

Em sistemas metálicos simples, o equilíbrio térmico é estabelecido principalmente através da interação entre os elétrons entre si e entre os elétrons e as vibrações da rede no cristal (fônons). Este processo diminui de forma constante com temperaturas mais baixas. No telureto de germânio, no entanto, os pesquisadores observaram um comportamento oposto:quanto menor a temperatura de rede da amostra, mais rápido o equilíbrio térmico é estabelecido após a excitação com o pulso de calor. "Isso foi muito surpreendente", diz Sánchez-Barriga.

Com cálculos teóricos no âmbito da abordagem de Boltzmann realizados por colaboradores da Universidade Tecnológica de Nanyang, eles foram capazes de interpretar os processos microscópicos subjacentes e distinguir três processos de termalização diferentes:Interações entre elétrons dentro da mesma banda, em bandas diferentes e elétrons com fônons .

Parece que a interação entre os elétrons domina a dinâmica e se torna muito mais rápida com a diminuição da temperatura da rede. "Isso pode ser explicado pela influência da divisão Rashba na força das interações eletrônicas fundamentais. Esse comportamento é aplicável a todos os semicondutores Rashba", diz Sánchez-Barriga:"Os resultados atuais são importantes para futuras aplicações de semicondutores Rashba e seus excitações em spintrônica ultrarrápida." + Explorar mais

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