A orbitrônica é um campo de pesquisa emergente recentemente sobre a manipulação do grau de liberdade orbital dos elétrons para a tecnologia da informação quântica. No entanto, a detecção inequívoca da dinâmica ultrarrápida do momento angular orbital tem sido um desafio até agora.



Ao usar a espectroscopia THz de última geração, cientistas da Freie Universität Berlin, juntamente com parceiros nacionais e internacionais, esclareceram pela primeira vez o fluxo ultrarrápido e de longo alcance de elétrons polarizados orbitalmente. A pesquisa é publicada na revista Nature Nanotechnology .

Surpreendentemente, os resultados mostram que a informação armazenada nos graus de liberdade orbitais prevalece por períodos cerca de 100 vezes mais longos do que a informação armazenada no segundo canal de momento angular do elétron – o grau de liberdade de spin. A descoberta marca um passo significativo em direção ao processamento de dados com taxas THz e baixa dissipação de energia em dispositivos orbitrônicos.

Uma observação no domínio do tempo das correntes de momento angular orbital

"Nosso método de geração e medição de correntes de momento angular orbital permite uma observação direta no domínio do tempo de sua propagação e dinâmica de relaxamento com resolução de femtossegundos, "diz Tom S. Seifert, primeiro autor do estudo e líder do projeto no Terahertz Physics Research Group em a Freie Universität Berlin, que liderou o estudo.

Em seu trabalho, os pesquisadores usaram pulsos de laser de femtossegundos para excitar correntes de momento angular orbital ultrarrápidas em pilhas de filmes finos Ni|W e mediram os pulsos eletromagnéticos terahertz emitidos. Esta informação permitiu-lhes reconstruir o fluxo do momento angular orbital através do tungstênio em função do tempo com precisão de femtossegundos.

"Descobrimos que as correntes de momento angular orbital no tungstênio viajam em baixas velocidades, mas chegam muito longe", diz Dongwook Go, segundo autor do estudo e físico teórico do Instituto Peter-Grünberg em Jülich. Esse comportamento inesperado também foi reproduzido por simulações ab-initio que revelaram o papel crucial da superfície posterior de tungstênio para uma conversão eficiente de corrente orbital em carga.

Desembaraçando o spin e o transporte orbital em tempo real

Este estudo destaca o poder da espectroscopia de emissão de terahertz de banda larga no desembaraço do transporte de spin e momento angular orbital, bem como processos de conversão semelhantes a Hall e Rashba-Edelstein com base em suas diferentes dinâmicas.

Seifert e colaboradores descobrem que Ni é uma boa fonte de momento angular orbital, enquanto W é um bom conversor de orbital para carga. Estes resultados são um passo significativo em direção à identificação de fontes e detectores ideais de correntes de momento angular orbital, que se beneficiarão fortemente de previsões teóricas precisas.

"No longo prazo, as correntes terahertz de momento angular orbital poderiam permitir o processamento de dados ultrarrápido e de baixa dissipação, um objetivo de longa data para a tecnologia futura", diz Tom S. Seifert.

Mais informações: Tom S. Seifert et al, Observação no domínio do tempo de correntes balísticas de momento orbital-angular com comprimento de relaxamento gigante em tungstênio, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01470-8
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Universidade Livre de Berlim