Физики из США и Японии впервые показали, что лазерный импульс может изменить спиновое состояние квантового материала на основе оксида марганца, не меняя при этом его орбитальное состояние. Статья об открытии была опубликована в журнале Physical Review B.

При проектировании электронных устройств ученые ищут способы контролировать и управлять тремя основными свойствами электронов: их зарядом, спиновыми состояниями, которые отвечают за возникновение магнетизма, и формами орбиталей. До сих пор считалось, что в квантовых материалах спин и орбитальные характеристики электронов изменяются совместно.

Но новая работа физиков из Национальной ускорительной лаборатории SLAC, Калифорнийского и Токийского университетов показывает, что использование лазера может изменить спин атомов квантового материала — манганата ниобия-стронция, — никак не влияя при этом на их орбитали.

Исследуемый учеными материал обычно используется в виде тонких кристаллических слоев. Он находит применение в спинтронных устройствах, в которых вычисление и запись информации происходят благодаря использованию в качестве информационной единицы спина электрона, а не его заряда. Этот материал также считается перспективным кандидатом на создание будущих компьютеров и запоминающих устройств на основе скирмионов — крошечных частиц, похожих на вихри, создаваемые магнитными полями вращающихся электронов.

Один из методов исследования такого типа материалов — воздействие на них лазерным лучом и наблюдение за возникающими изменениями. В одном из таких экспериментов авторы ожидали увидеть, что упорядоченные спины и орбитали электронов в материале станут полностью разупорядочены или «расплавлены», поскольку частицы будут поглощать импульсы излучения ближнего инфракрасного диапазона.

Но к их удивлению, расплавились только спиновые состояния, в то время как орбитальные остались нетронутыми. Это значит, что нормальное спин-орбитальное взаимодействие было нарушено.

Ранее, по словам исследователей, такого не наблюдалось. Согласно полученным данным, такое свойство квантового материала можно использовать для создания устройств на основе «орбитроники» — аналога спинтроники, в котором вместо спинов используются орбитальные характеристики электроники.

По расчетам исследователей, такие устройства могут работать в десять тысяч раз быстрее спинтронных. При этом новая работа показывает, что переключение между двумя орбитальными состояниями может быть сделано с помощью коротких всплесков терагерцового излучения, а не магнитных полей, используемых сегодня.