科技日报北京9月27日电 (记者张梦然)轨道角动量(OAM)单极子目前是理论物理学研究的重点,因为它为新兴的轨道电子学带来巨大的实际优势。最近,科学家结合理论分析与瑞士光源(SLS)的实验工作,证实了这些单极子的存在。该发现27日发表在《自然·物理学》杂志上。
轨道电子学是一种比传统电子学更加节能的技术,其关键是OAM。现在,由瑞士保罗谢尔研究所和德国马克斯·普朗克研究所领导的一个国际团队已经证明,手性拓扑半金属具有生成OAM电流的理想特性。这类材料拥有螺旋结构,天然地赋予了材料OAM的特定模式或纹理,使其能够流动。而一种特殊的OAM构造——OAM单极子,在这些材料中特别引人注目。在这个单极子中,OAM从中心点向四周辐射,类似于一只蜷缩成球的刺猬。
OAM单极子之所以吸引人,是因为它的OAM在所有方向上都是均匀分布的,意味着信息流可在任何方向上产生。为了观察到单极子,团队采用了圆二色性角分辨光发射光谱(CD-ARPES)技术。但是,以往由于理论预测与实验结果之间的差距,人们难以准确解释数据。
为此,团队使用SLS对手性拓扑半金属进行测试,并通过严格的理论检验每一个假设,进而采取了一个额外的关键步骤——改变光子的能量。经过细致的数据分析,他们发现CD-ARPES信号并不直接与OAM成正比,而是随着光子能量的变化而变化。这样,他们成功弥合了理论与实验间的鸿沟,并确认了OAM单极子的存在。
此外,团队还展示了OAM单极子的极性可以通过使用具有相反手性的晶体来翻转,这意味着OAM的方向可以控制。这对于未来设计不同方向特性的轨道电子学器件来说非常有价值。
传统的电子技术依赖于电子的电荷来传输信息,但未来更环保的技术可能会利用电子的其他属性,比如自旋或OAM。后者的设想是使用电子绕原子核旋转时产生的OAM作为信息载体,这就带来了轨道电子学。现在,凭借本文的研究,轨道电子学对于未来存储设备的巨大潜力得以体现。它可以用相对很小的电流,就产生很大的磁化强度,给人们带来更节能高效的电子装置。