Elektronas – tai ne tik krūvis, tekantis laidininku. Jis turi ir vidinę judėjimo aplink atomo branduolį geometriją – orbitalinį momentą. Ilgą laiką tai buvo laikoma elegantiška vadovėlių detale, o ne valdomu parametru realiuose įrenginiuose. Tačiau būtent šiame papildomame laisvės laipsnyje slypi naujos elektronikos pažadas: informaciją būtų galima koduoti ne tik įtampa ir tranzistoriais, bet ir orbitaline būsena.
Didžiausia problema buvo labai praktiška. Kad būtų galima valdyti elektronų orbitalinį judėjimą, paprastai reikėdavo magnetinių laukų ir specifinių metalų. Jie dažnai yra sunkūs, brangūs ir vis dažniau patenka į kritinių žaliavų sąrašus. Dabar atsirado kitas kelias: vietoj magneto – atomų virpesiai kristale, vietoj klasikinio valdymo srove – temperatūros skirtumas. O pagrindinis vaidmuo tenka medžiagai, kuri labiau asocijuojasi su laikrodžiais ir pjezoelektriniais jutikliais, o ne su ateities elektronika.
Orbitronika: papildomas elektronikos matmuo
Girdėdami apie naujus elektronų valdymo būdus, dažniausiai pagalvojame apie spintroniką – elektronų sukinį (spiną), naudojamą kaip informacijos nešiklį ir dalies tranzistorių funkcijų alternatyvą. Orbitronika žengia greta: ji naudoja orbitalinį momentą, t. y. tai, kaip elektronų debesies forma sukamasi atome ir kaip šis sukimasis veikia elektronų elgseną medžiagoje.
Tinkamai parinktose struktūrose orbitalinį momentą galima pernešti, keisti ir, potencialiai, išlaikyti ilgiau nei dalį klasikinių krūvio signalų. Teoriškai tai reiškia naujus informacijos kodavimo būdus ir mažesnius energijos nuostolius. Praktiškai – kovą dėl šaltinio, kurį galima būtų patikimai valdyti.
Iki šiol dažniausias kelias vedė per magnetines medžiagas ir reiškinius, priklausančius nuo tam tikrų cheminių elementų. Jeigu orbitronika turi peržengti laboratorijos ribas, jai reikia paprastesnio, pigesnio ir lengviau atkuriamo būdo sužadinti orbitalinius srautus.
Chiraliniai fononai: kai atomų virpesiai ima „suktis“
Kristale atomai niekada nestovi vietoje – jie nuolat virpa. Šiuos kolektyvinius virpesius fizikai vadina fononais. Dažniausiai fononai vaizduojami kaip banga: atomai pakaitomis nukrypsta į vieną ir kitą pusę. Tačiau chiraliose medžiagose – tokiose, kurių gardelės struktūra yra „sukišta“ kairiarankiu arba dešiniarankiu būdu – virpesiai gali susidėlioti ratu. Tai jau nebe paprastas svyravimas, o judėjimas tam tikra rankiškumo kryptimi.
Toks fononas tampa momento nešikliu. Jei kristale atsiranda virpesių, kurie patys iš savęs turi momentą, kyla natūralus klausimas: ar šį momentą galima perduoti elektronams taip, kad jų orbitalinis judėjimas įgytų preferencinę kryptį? Būtent tai ir pavyko parodyti eksperimente su α-kvarcu – chiraline kvarco atmaina. Esminis dalykas tas, kad fononai čia nustoja būti tiesiog terminiu fonu ir tampa „varikliu“ elektronų orbitalinei būsenai valdyti.
Paradoksaliausia, bet kartu naudingiausia šio darbo dalis yra tai, kad efektui įjungti pakanka temperatūros gradiento. Jei viena kristalo dalis yra šiltesnė, o kita – šaltesnė, fononai pradeda pernešti energiją privilegijuota kryptimi. Chiralioje gardelėje kartu pernešamas ir tam tikros krypties momentas. Taip atomų virpesiai sukuria efektyvų magnetinį poveikį be klasikinio feromagnetiko.
Tai nereiškia, kad medžiaga staiga tampa magnetu kaip geležis. Esmė ta, kad chiralūs fononai sukuria vidinius sąveikos laukus, galinčius paveikti elektronų orbitalinį judėjimą.
Orbitalinis Seebecko efektas
Naujas reiškinys pavadintas orbitaliniu Seebecko efektu – analogiškai gerai žinomam termoelektriniam efektui, kai dėl temperatūrų skirtumo atsiranda krūvio pernaša. Čia vietoje paprasto krūvio srauto generuojamas srautas, susijęs su orbitaliniu momentu.
Tai atveria kelią orbitronikai, kuriai valdyti nebereikėtų papildomos „baterijos“ klasikine prasme – pakaktų pačios medžiagos fizikos ir kontroliuojamos temperatūros.
Kaip išmatuoti „nematomą“ orbitalinį srautą?
Su orbitaliniu momentu yra viena praktiška problema: jo neįmanoma tiesiogiai „užkabinti“ multimetras, kaip įtampos laidininko galuose. Reikalingas vertėjas tarp orbitronikos ir įprastų elektrinių signalų.
Eksperimente tam buvo panaudotos plonos metalų plėvelės ant kristalo paviršiaus. Jos leidžia konvertuoti orbitalinio momento srautą į išmatuojamą elektrinį signalą. Logika primena spintroniką: pirmiausia sugeneruojamas vidinis laisvės laipsnis (spinų ar orbitų srautas), o po to jis verčiamas į įtampą, kurią galima registruoti, lyginti ir atkartoti.
Dar vienas kritiškas žingsnis – chiralinių fononų išrikiavimas taip, kad vienos rankiškumo krypties būtų daugiau nei kitos. Įprastomis sąlygomis kristale koegzistuoja kairiarankiai ir dešiniarankiai fononiniai režimai. Norėdami paversti šią savybę įrankiu, mokslininkai turi išvesti sistemą iš pusiausvyros tiek, kad vienas iš režimų „nugalėtų“ ir sukurtų aiškiai matomą signalą.
Naujas kelias į mikroschemas
Jei toks mechanizmas bus perkeltas į kitas medžiagas, perspektyvos tampa itin intriguojančios. Chiralumas – ne vieno konkretaus mineralo egzotika. Yra ir kitų chiralinių kristalų bei junginių, kuriuose panašūs fononai turėtų pasireikšti. Palyginti su technologijomis, priklausomomis nuo retų, brangių ar politiškai jautrių metalų, čia atsiranda galimybė kurti lengvesnes, pigesnes ir tiekimo grandinėms saugesnes platformas.
Kitas esminis klausimas – signalo „gyvavimo“ trukmė. Jeigu orbitalinį momentą medžiagoje pavyks išlaikyti pakankamai ilgai, gali atsirasti elementų, kurie veiktų stabiliai ir nereikalautų nuolatinio stiprinimo klasikinėmis srovėmis. Elektronikoje tai būtų fundamentali permaina: mažiau šilumos, mažiau nuostolių ir mažiau energijos, išeikvojamos vien tik būsenos palaikymui.
Jei termiškai generuojamą orbitalinį srautą bus įmanoma tiksliai valdyti per pačios medžiagos struktūrą, dalis funkcijų iš grandynų projektavimo persikels į medžiagų projektavimą. Tai gali skambėti ambicingai, tačiau būtent taip prasidėjo puslaidininkių era – nuo idėjos, kad specifinė medžiaga gali atlikti tai, ko anksčiau reikėjo sudėtingų ir gremėzdiškų schemų.
