Elektrik alanı ferroelektrik kristalde fonon kiralitesini ve dönüş yönünü tersine çevirir

Kiral fononlar, ısı gibi bir enerji kaynağı tarafından uyarıldığında dairesel yönde hareket eden atom gruplarıdır. Fononlar bir malzeme içinde hareket ettikçe, bu dairesel hareketi veya açısal momentumu malzeme boyunca yayarlar. Açısal momentum, dönüşün kaynağı olarak hizmet eder ve kiralite, dönüşün yönünü belirleyerek spintronikte dönüş kontrolünü sağlar.

Basit bir ifadeyle kiralite, bir molekül veya malzemenin aynadaki görüntüsü üzerine eklenemeyeceği anlamına gelir; örneğin sol ve sağ ellerinizi düşünün. Solak bir eldiven sağ elinize uymaz ve bunun tersi de geçerlidir.

Yeni bir çalışmada araştırmacılar, bir ferroelektrik kristal içindeki fononların kiralitesini değiştirmek için bir elektrik alanı kullandılar. Çalışma, daha hızlı ve enerji açısından daha verimli spintronik cihazların yaratılmasına yol açabilir.

North Carolina State Üniversitesi’nde kimya yardımcı doçenti ve araştırmanın eş-yazarı olan Xiaotong Li, “Burada gösterdiğimiz şey, belirli bir ferroelektrik malzemeye elektrik alanı uygulayarak ‘el kullanımını’ değiştirme yeteneğidir” diyor. Doğa İletişimi. “Bu çalışmadan önce kiral fononlar farklı tekniklerle gözlemlenmişti, ancak kiral fononların anahtarlanması ve aktif kontrolü gösterilmemişti.”

Kristal kiraliteyi nasıl çevirir?

Araştırmacılar deneylerinde bir ferroelektrik moleküler kristal olan triglisin sülfat (TGS) kullandılar. TGS seçildi çünkü yapısal kiralite ve ferroelektrik polarizasyonu birbirine bağlı, yani biri değişirse diğerinin de değişmesi gerektiği anlamına geliyor.

TGS soğutulduğunda, tüm dipollerin rastgele yönlendirildiği paraelektrik fazdan, dipollerin kendiliğinden polarizasyon oluşturmak üzere hizalandığı ferroelektrik faza dönüşür. Araştırmacılar ferroelektrik faz sırasında bir elektrik alanı uygulayarak dipol momentlerinin bir yönde hizalanmasına neden oldu. Polar ve kiral yönler elektrik alanı altında da değiştirilebilir, böylece fonon kiralitesinin ve spininin aktif kontrolü sağlanır.

Zamanla çözülen manyeto-optik Kerr etkisini (TR-MOKE) kullanarak araştırmacılar, kiralite değiştirildiğinde spin polarizasyon yönünün tersine dönüp dönmediğini belirlemek için yüzeydeki spinleri ve polarizasyon yönlerini ölçtüler.

Bir zincirleme reaksiyon gördüler; elektrik alanı uygulandıkça TGS’nin polarizasyonu ve kiralitesi değişti ve bu da fononların dönüş yönünü etkiledi.

Li, “Ferroelektrikliğin yapısal kiraliteyi kontrol ettiğini, kiralitenin ısı akışı altında kiral fononları etkinleştirdiğini ve kiral fononların açısal momentumu elektronik dönüşlere aktardığını, böylece dönüşün elektriksel kontrolünü mümkün kıldığını bulduk” diyor.

Sinyalin arkasındaki atomik hareket

Portland Eyalet Üniversitesi’nde makine ve malzeme mühendisliği yardımcı doçenti ve çalışmanın ortak yazarı Yi Xia, “Deneysel sonuçlar, sinyalin arkasındaki atomik hareketleri ortaya çıkaran yoğunluk fonksiyonel teorisi simülasyonlarıyla desteklendi” diyor. “TGS ferroelektrik durumları arasında geçiş yaptığında, temel glisin fonon modları dairesel hareketlerini tersine çevirerek değiştirilebilir fonon kiralitesinin mikroskobik bir resmini sağlar.”

Çalışmanın ilk yazarlarından ve NC State’deki Li grubunda doktora sonrası araştırmacı olan Xiang-Bin Han, “El kullanımını veya kiraliteyi değiştirirseniz, dönüş yönünü kontrol edebilirsiniz; esasen dönüş için bir elektrik kontrol düğmesi sağlarsınız” diyor. “Cihaz açısından bakıldığında, katı hal spintronik sistemlerde birincil kontrol parametresi olan bir elektrik alanı, elektron-fonon eşleşmesi yoluyla fonon kiralitesini düzenleyebilirse, aksi takdirde cihazın karmaşıklığını artıracak ek kontrol mekanizmalarına olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.”

Araştırmacılar, çalışmanın kiral fononla çalışan spintronik ve fotonik cihazlar için fırsatlar yarattığını ve bu yöntemin sahada halihazırda kullanımda olan teknolojilerle çalışmaya kolayca uyarlanabileceğini söylüyor.