Спинтронные запоминающие устройства, подобные тем, что используются в некоторых высокотехнологичных компьютерах и спутниках, используют для хранения и считывания информации магнитные состояния, порождаемые собственным угловым моментом электрона. В зависимости от физического движения спин электрона создает магнитный ток. Это явление, известное как «спиновый эффект Холла», имеет ключевое применение для магнитных материалов во многих областях, начиная от маломощной электроники и заканчивая фундаментальной квантовой механикой.

Совсем недавно ученые обнаружили, что электроны также способны генерировать электричество за счет второго вида движения: орбитального углового момента, аналогичного тому, как Земля вращается вокруг Солнца. Это явление известно как «орбитальный эффект Холла», говорит Роланд Каваками, соавтор исследования и профессор физики Университета штата Огайо.

Теоретики предсказывали, что при использовании легких переходных металлов — материалов, обладающих слабыми спиновыми холловскими токами, — магнитные токи, порождаемые орбитальным эффектом Холла, будет легче обнаружить, протекая рядом с ними. До сих пор прямое обнаружение такого явления было проблематичным, но в исследовании, проведенном под руководством аспиранта-физика Игоря Лялина и опубликованном сегодня в журнале Physical Review Letters, продемонстрирован метод наблюдения этого эффекта.

На протяжении десятилетий постоянно обнаруживались различные эффекты Холла, — сказал Каваками.

Но идея этих орбитальных токов является совершенно новой. Сложность заключается в том, что они смешаны со спиновыми токами в обычных тяжелых металлах, и их трудно отличить друг от друга.

Вместо этого команда Каваками продемонстрировала орбитальный эффект Холла, отражая поляризованный свет, в данном случае лазерный, на различные тонкие пленки легкого металла хрома, чтобы исследовать атомы металла на предмет потенциального накопления орбитального углового момента. После почти года кропотливых измерений исследователям удалось обнаружить четкий магнитооптический сигнал, свидетельствующий о том, что электроны, собранные на одном конце пленки, проявляют сильные орбитальные свойства эффекта Холла.

По словам Каваками, это успешное обнаружение может иметь огромные последствия для будущих приложений спинтроники.

Концепция спинтроники существует уже около 25 лет, и хотя она очень хорошо зарекомендовала себя в различных приложениях, связанных с памятью, сейчас люди пытаются пойти дальше, — сказал он.

Сейчас одной из главных целей в этой области является снижение количества потребляемой энергии, поскольку это является ограничивающим фактором для повышения производительности.

Снижение общего количества энергии, необходимого для эффективной работы будущих магнитных материалов, потенциально может позволить снизить энергопотребление, повысить скорость и надежность, а также увеличить срок службы технологии. По словам Каваками, использование орбитальных токов вместо спиновых может сэкономить время и деньги в долгосрочной перспективе.

Отмечая, что данное исследование открывает возможность узнать больше о том, как эти странные физические явления возникают в других видах металлов, исследователи заявляют, что они хотят продолжить изучение сложной связи между спиновыми и орбитальными эффектами Холла.