Совершенно новый тип технологий: "орбитроника" может заменить электронику в гаджетах

Команда ученых из Германии и Швейцарии завершила исследование, которое открывает путь к новому типу технологий — "орбитронике". Подробности они описали в статье, опубликованной в журнале Nature Physics.

Исследователи из Института Пауля Шеррера (PSI) в Швейцарии и Института Макса Планка в Германии нашли способ использовать свойство электронов, известное как "орбитальный угловой момент". Оно дает начительные практические преимущества для "орбитроники", которую считают энергоэффективной альтернативой традиционной электронике.

Электроника использует заряд электрона для передачи информации, технологии будущего с могут использовать другое свойство электронов для обработки информации с меньшим воздействием на окружающую среду. До недавнего времени основным претендентом на другой тип "троники" была "спинтроника", где информация передавалась благодаря вращению (спину) электрона.

В основе орбитроники лежит орбитальный угловой момент электронов (ОУМ), вращающихся вокруг атомного ядра. Эта область имеет большие перспективы для устройств памяти, особенно потому, что большая намагниченность потенциально может быть создана с относительно малым электрическим током, поэтому придется тратить меньше энергии. Главная задача ученых сейчас — найти хорошие материалы для генерации потоков OAM.

В новом исследовании команда доказала, что нужные свойства есть у хиральных топологических полуметаллов — это новый класс материалов, открытый в Институте Пауля Шеррера в 2019 году. Они обладают спиральной атомной структурой, напоминающую цепочку ДНК.

"Это дает значительное преимущество перед другими материалами, поскольку вам не нужно применять внешние стимулы для получения текстур OAM — они являются внутренним свойством материала. Это может облегчить создание стабильных и эффективных потоков OAM без необходимости в особых условиях", — объяснил Майкл Шулер, доцент кафедры физики в Университете Фрибурга.

При этом в хиральных топологических металлах есть одна структура, называемая "монополем". В таких "монополях" ОАМ излучается наружу из центральной точки одинаково во всех направлениях. Однако до сих пор наличие монополей было лишь научной теорией.

В своем исследовании Шулер и коллеги изучили два типа хиральных топологических полуметаллов в Swiss Light Source SLS: на основе палладия и галлия, а также платины и галлия. Затем они изменили энергию фотонов, измерили сигналы и впервые в истории доказали наличие монополей ОАМ экспериментальным путем.

Как пишет сайт The DeBrief, этим исследованием ученые приближают будущее, когда гаджеты будут не только мощнее, но и безопаснее для планеты. Электронные отходы стали острой проблемой Земли из-за огромного количества выброшенной техники.

По данным Всемирной организации здравоохранения, каждый год появляются миллионы тонн электронных отходов. В 2019 году во всем мире было произведено около 53,6 млн тонн, а по прогнозам экспертов, эта цифра будет только расти, поскольку технологии продолжают развиваться, а потребительский спрос на новые устройства остается высоким.

Большая часть таких отходов содержит опасные материалы, такие как свинец, ртуть и антипирены. Эти вещества представляют серьезную опасность для здоровья и окружающей среды при неправильном обращении, часто вымываясь в почву и водные источники или выделяя токсичные пары при сжигании.