Die Entdeckung orbitaler Drehimpulsmonopole treibt die Orbitronik in der energieeffizienten Technologie voran

Orbitale Drehimpulsmonopole waren Gegenstand von großem theoretischen Interesse, da sie große praktische Vorteile für das aufstrebende Gebiet der Orbitronik bieten, einer potenziellen energieeffizienten Alternative zur herkömmlichen Elektronik. Nun wurde ihre Existenz durch eine Kombination aus fundierter Theorie und Experimenten an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS am Paul Scherrer Institut PSI nachgewiesen. Die Entdeckung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

Während die Elektronik die Ladung des Elektrons nutzt, um Informationen zu übertragen, könnte eine Technologie der Zukunft mit geringerer Umweltbelastung eine andere Eigenschaft von Elektronen zur Informationsverarbeitung nutzen. Bis vor Kurzem war die Spintronik der Hauptkandidat für eine andere Art von „Tronik“. Die zur Informationsübertragung genutzte Eigenschaft ist hier der Spin des Elektrons.

Forscher erforschen auch die Möglichkeit, den Bahndrehimpuls (OAM) von Elektronen zu nutzen, die ihren Atomkern umkreisen: ein aufstrebendes Gebiet, das als Orbitronik bekannt ist. Dieses Gebiet ist für Speichergeräte vielversprechend, insbesondere weil mit relativ kleinen Ladeströmen möglicherweise eine große Magnetisierung erzeugt werden könnte, was zu energieeffizienten Geräten führen würde. Die Millionen-Dollar-Frage besteht nun darin, die richtigen Materialien zu identifizieren, um OAM-Flüsse zu erzeugen, eine Voraussetzung für die Orbitronik.

Jetzt hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts PSI und der Max-Planck-Institute in Halle und Dresden in Deutschland gezeigt, dass chirale topologische Halbmetalle, eine neue Klasse von Materialien, die 2019 am PSI entdeckt wurden, Eigenschaften besitzen, die sie zu einem äußerst wertvollen Material machen praktische Wahl für die Erzeugung von OAM-Strömen.

Chirale topologische Halbmetalle: eine einfache Lösung für die Orbitronik

Bei der Suche nach geeigneten Materialien für die Orbitronik wurden bereits Fortschritte mit herkömmlichen Materialien wie Titan erzielt. Doch seit ihrer Entdeckung vor fünf Jahren sind chirale topologische Halbmetalle zu einem faszinierenden Kandidaten geworden. Diese Materialien besitzen eine helikale Atomstruktur, die eine natürliche „Händigkeit“ wie die DNA-Doppelhelix verleiht und ihnen auf natürliche Weise Muster oder Texturen von OAM verleihen könnte, die ihren Fluss ermöglichen.

„Dies bietet einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Materialien, da man keine externen Reize anwenden muss, um OAM-Texturen zu erhalten – sie sind eine intrinsische Eigenschaft des Materials“, erklärt Michael Schüler, Gruppenleiter am Center for Scientific Computing, Theory and Data am PSI und Assistenzprofessor für Physik an der Universität Freiburg, der die aktuelle Studie mit leitete. „Dies könnte es einfacher machen, stabile und effiziente OAM-Ströme zu erzeugen, ohne dass besondere Bedingungen erforderlich sind.“

Die attraktive, aber schwer fassbare Aussicht auf Bahndrehimpulsmonopole

Es gibt eine bestimmte OAM-Textur, die in chiralen topologischen Halbmetallen vermutet wird und die Forscher fasziniert: OAM-Monopole. An diesen Monopolen strahlt OAM von einem Mittelpunkt nach außen aus wie die Stacheln eines verängstigten Igels, der zu einer Kugel zusammengerollt ist.

Diese Monopole sind deshalb so verlockend, weil OAM in alle Richtungen gleichmäßig ist, also isotrop. „Dies ist eine sehr nützliche Eigenschaft, da dadurch OAM-Flüsse in jede Richtung erzeugt werden können“, sagt Schüler.

Doch trotz der Attraktivität von OAM-Monopolen für die Orbitronik blieben sie bis zu dieser neuesten Studie ein theoretischer Traum.

Igel verstecken sich zwischen Theorie und Experiment

Um sie experimentell zu beobachten, besteht Hoffnung in einer Technik namens Circular Dichroism in Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (CD-ARPES), bei der zirkular polarisierte Röntgenstrahlen von einer Synchrotronlichtquelle verwendet werden. Doch eine Lücke zwischen Theorie und Experiment hat Forscher in der Vergangenheit daran gehindert, die Daten zu interpretieren. „Forscher hatten zwar die Daten, aber die Beweise für OAM-Monopole waren darin vergraben“, sagt Schüler.

Bei ARPES fällt Licht auf ein Material und stößt dabei Elektronen aus. Die Winkel und Energien dieser ausgestoßenen Elektronen geben Aufschluss über die elektronische Struktur des Materials. Bei CD-ARPES ist das einfallende Licht zirkular polarisiert.

„Eine natürliche Annahme ist, dass man, wenn man zirkular polarisiertes Licht verwendet, etwas misst, das direkt proportional zu den OAMs ist“, erklärt Schüler. „Das Problem ist, wie wir in unserer Studie zeigen, dass sich dies als etwas naive Annahme herausstellt. In Wirklichkeit ist es viel komplexer.“

Strenge schließt die Lücke

In ihrer Studie untersuchten Schüler und Kollegen zwei Arten chiraler topologischer Halbmetalle an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS: solche aus Palladium und Gallium oder Platin und Gallium. Das Team war entschlossen, die im komplexen Netz der CD-ARPES-Daten verborgenen OAM-Texturen aufzudecken und stellte jede Annahme mit strenger Theorie in Frage.

Dann unternahmen sie einen ungewöhnlichen und entscheidenden zusätzlichen experimentellen Schritt und variierten die Photonenenergien. „Zuerst ergaben die Daten keinen Sinn. Das Signal schien sich überall zu ändern“, sagt Schüler.

Sie analysierten akribisch, wie unterschiedliche Beiträge die Berechnungen von OAM aus CD-ARPES-Daten erschwerten, und zeigten, dass das CD-ARPES-Signal nicht direkt proportional zu den OAMs war, wie bisher angenommen, sondern sich um die Monopole drehte, wenn sich die Photonenenergie änderte. Auf diese Weise überbrückten sie die Lücke zwischen Theorie und Experiment und bewiesen das Vorhandensein von OAM-Monopolen.

Türen öffnen sich für die Erforschung von Bahndrehimpulstexturen in neuen Materialien

Ausgestattet mit der Fähigkeit, OAM-Monopole genau zu visualisieren, zeigten Schüler und Kollegen, dass die Polarität des Monopols – unabhängig davon, ob die Spitzen der OAMs nach innen oder nach außen zeigen – durch die Verwendung eines Kristalls mit spiegelbildlicher Chiralität umgekehrt werden kann. „Das ist eine sehr nützliche Eigenschaft, da Orbitronik-Geräte möglicherweise mit unterschiedlicher Richtungsrichtung erstellt werden könnten“, sagt Schüler.

Nachdem Theorie und Experiment nun endlich vereint sind, verfügt die breitere Forschungsgemeinschaft über die Mittel, um OAM-Texturen in einer Vielzahl von Materialien zu untersuchen und ihre Anwendungen für die Orbitronik zu optimieren.