Кварц вместо магнитов: новый способ управления электронами

Физики из США нашли способ управлять движением электронов без использования громоздких и дорогих магнитных материалов. Исследователи из Северной Каролины и Юты задействовали хиральные фононы — особые атомные вибрации в кристаллах кварца, которые позволяют передавать импульс напрямую частицам. Это открытие закладывает фундамент для создания сверхбыстрой и энергоэффективной электроники.

В современной микроэлектронике для обработки информации используют спин или заряд электрона, что часто требует внедрения ферромагнетиков вроде железа или кобальта. Однако масштабировать такие системы сложно и дорого. Новое направление — орбитроника — предлагает задействовать орбитальный угловой момент частиц. До сих пор считалось, что для его контроля необходимы магнитные поля, но эксперимент с обычным α-кварцем опроверг это убеждение.

Механика «орбитального эффекта Зеебека»

Ученые использовали хиральную структуру кварца, в которой атомы совершают коллективные колебания по спирали. Эти вибрации, называемые хиральными фононами, передают свой вращательный момент электронам, создавая стабильный поток данных. Чтобы зафиксировать этот процесс, физики нанесли на поверхность кристалла тончайшие слои вольфрама и титана. Такая «слойка» позволила преобразовать механическое движение атомов в измеримый электрический сигнал.

Технология не ограничивается только кварцем. По словам соавтора работы Рикарда Бодина, аналогичный эффект можно получить в селене, теллуре или перовскитах. Главное преимущество метода — долговечность орбитального движения. В немагнитных материалах оно сохраняется дольше, что снижает потери энергии и позволяет устройствам работать быстрее. Теперь инженеры получили инструмент, позволяющий проектировать чипы без привязки к редким или сложным в обработке металлам.