Le moment angulaire orbital des électrons a longtemps été considéré comme un phénomène physique mineur, supprimé dans la plupart des cristaux et largement négligé. Les scientifiques de Forschungszentrum Jülich ont maintenant découvert que dans certains matériaux, il est non seulement préservé, mais peut même être activement contrôlé. Cela est dû à une propriété de la structure cristalline appelée chiralité, qui influence également de nombreux autres processus dans la nature.
La découverte a le potentiel de conduire à une nouvelle classe de composants électroniques capables de transmettre des informations avec une robustesse exceptionnelle et une efficacité énergétique.
De l'électronique aux spintroniques, et maintenant à l'orbitronique: en électronique classique, c'est principalement la charge de l'électron qui compte. Dans les approches modernes telles que l'informatique quantique et la spintronique, l'attention s'est déplacée vers le spin de l'électron.
Maintenant, une autre propriété entre dans les projecteurs: moment angulaire orbital (OAM). En termes simples, OAM décrit comment l'électron se déplace dans un atome – pas sur une orbite classique, mais comme une distribution mécanique quantique dans une orbitale.
« Pendant des décennies, Spin a été considéré comme le paramètre clé pour les nouvelles technologies basées sur quantique. Mais le moment angulaire orbital a également un grand potentiel en tant que porte-informations – et est beaucoup plus robuste », explique le Dr Christian Tusche de l'Institut Peter Grünberg (PGI-6) à Forschungszentrum Jülich. Le physicien est l'un des principaux auteurs de l'étude publiée dans Matériaux avancés.
Le moment angulaire orbital est l'un des nombres quantiques fondamentaux de l'électron, similaire à Spin, qui décrit la rotation apparente de l'électron. Cependant, l'OAM est rarement observable dans les cristaux. Il est généralement supprimé par les champs électriques et magnétiques symétriques dans le réseau cristallin – un effet appelé «extinction».
Dans des matériaux dits chiraux tels que le Silicide Cobalt (COSI) étudié, c'est différent, car l'équipe dirigée par le Dr Tusche, ainsi que des partenaires à Taïwan, au Japon, en Italie, aux États-Unis et en Allemagne, ont maintenant pu le montrer. Le mot « chiral » vient de l'ancien « Cheir » grec pour la main.
« Ces structures cristallines manquent de symétrie miroir et sont soit à gauche ou à droite, tout comme la main humaine. Vous pouvez les faire tourner et ils restent des images miroir les unes des autres », explique le Dr Tusche. La chiralité se produit fréquemment dans la nature. Les molécules de sucre, les acides aminés et l'ADN présentent tous des structures chirales.
En utilisant la microscopie à momentum à haute résolution et la lumière polarisée circulaire, les chercheurs ont pu résoudre le moment angulaire orbital dans le semi-conducteur chiral pour la première fois, à l'intérieur du cristal et à sa surface.
Pour les mesures, ils ont utilisé le microscope Momentum de Nanoesca fonctionnant par Forschungszentrum Jülich au Synchrotron Elettra à Trieste, en Italie. Ils ont découvert que la remise du cristal – gauche ou droitier – affecte prévisible le moment angulaire orbital des électrons.
Nouveau lien entre la structure cristalline et l'électron
« Nos résultats montrent que la structure du cristal influence directement le moment angulaire des électrons – un effet que nous avons pu mesurer directement. Cela ouvre une toute nouvelle porte pour la recherche sur les matériaux et le traitement de l'information », souligne le physicien expérimental, le Dr Ying-Jiun Chen.
Le Dr Dongwook Go, physicien théoricien de l'Institut Peter Grünberg (PGI-1) de Jülich, ajoute: « La découverte est particulièrement importante pour le domaine émergent de l'orbitronique, qui utilise le moment angulaire orbital comme porte-informations pour la prochaine génération de technologie quantum. »
Une caractéristique de la texture du moment angulaire orbital résultant est des arcs Fermi formés différemment: des structures ouvertes en forme d'arc qui deviennent visibles dans les représentations de l'espace de momentum, telles que générées par la microscopie de momentum.
Cela ouvre de nouvelles perspectives pour les applications. À l'avenir, les informations peuvent être transmises et stockées non seulement via la charge ou la rotation des électrons, mais aussi par la direction et l'orientation de leur moment angulaire orbital. Cette soi-disant orbitronique – électronique basée sur les propriétés orbitales – pourrait ainsi fournir la base d'une nouvelle classe de dispositifs électroniques.
Applications
Le développement de cette future technologie fait partie du projet EIC Pathfinder Obelix, dans lequel le professeur Yuriy Mokrousov de l'Université de Mayenz est également impliqué. Le physicien théorique est également chef de groupe de l'Institut Peter Grünberg (PGI-1) à Jülich et a contribué des modèles théoriques fondamentaux à la récente découverte.
Le professeur Claus Michael Schneider voit également une grande promesse. « Par exemple, il semble concevable d'utiliser le moment angulaire orbital comme porteuse d'informations. Ou on peut utiliser la lumière polarisée circulairement pour influencer sélectivement la chiralité d'un cristal, permettant un commutateur non mécanique contrôlé par la lumière comme alternative au transistor.
« En outre, le couplage entre le moment angulaire orbital et le spin pourrait permettre l'intégration dans les concepts de spintronics existants – par exemple, dans les appareils quantiques hybrides », explique le directeur de l'Institut Peter Grünberg pour les propriétés électroniques (PGI-6) à Forschungszentrum Jülich.
