Абсолютно новий тип технологій: "орбітроніка" може замінити електроніку в гаджетах

Завдяки новому відкриттю пристрої майбутнього зможуть стати не тільки потужнішими, а й безпечнішими для довкілля.

Команда вчених із Німеччини та Швейцарії завершила дослідження, яке відкриває шлях до нового типу технологій — "орбітроніки". Подробиці вони описали в статті, опублікованій у журналі Nature Physics.

Дослідники з Інституту Пауля Шеррера (PSI) у Швейцарії та Інституту Макса Планка в Німеччині знайшли спосіб використовувати властивість електронів, відому як "орбітальний кутовий момент". Вона дає значні практичні переваги для "орбітроніки", яку вважають енергоефективною альтернативою традиційній електроніці.

Електроніка використовує заряд електрона для передавання інформації, технології майбутнього можуть використовувати іншу властивість електронів для обробки інформації з меншим впливом на навколишнє середовище. Донедавна основним претендентом на інший тип "троніки" була "спінтроніка", де інформація передавалася завдяки обертанню (спіну) електрона.

В основі орбітроніки лежить орбітальний кутовий момент електронів (ОКМ), що обертаються навколо атомного ядра. Ця галузь має великі перспективи для пристроїв пам'яті, особливо через те, що велика намагніченість потенційно може бути створена з відносно малим електричним струмом, тому доведеться витрачати менше енергії. Головне завдання вчених зараз — знайти хороші матеріали для генерації потоків ОКМ.

У новому дослідженні команда довела, що потрібні властивості є у хіральних топологічних напівметалів — це новий клас матеріалів, відкритий в Інституті Пауля Шеррера 2019 року. Вони мають спіральну атомну структуру, що нагадує ланцюжок ДНК.

"Це дає значну перевагу перед іншими матеріалами, оскільки вам не потрібно застосовувати зовнішні стимули для отримання текстур OКM — вони є внутрішньою властивістю матеріалу. Це може полегшити створення стабільних і ефективних потоків OКM без необхідності в особливих умовах", — пояснив Майкл Шулер, доцент кафедри фізики в Університеті Фрібурга.

При цьому в хіральних топологічних металах є одна структура, звана "монополем". У таких "монополях" ОКМ випромінюється назовні з центральної точки однаково в усіх напрямках. Однак досі наявність монополів була лише науковою теорією.

У своєму дослідженні Шулер і колеги вивчили два типи хіральних топологічних напівметалів у Swiss Light Source SLS: на основі паладію і галію, а також платини і галію. Потім вони змінили енергію фотонів, виміряли сигнали і вперше в історії довели наявність монополів ОКМ експериментальним шляхом.

Як пише сайт The DeBrief, цим дослідженням учені наближають майбутнє, коли ґаджети будуть не тільки потужнішими, а й безпечнішими для планети. Електронні відходи стали гострою проблемою Землі через величезну кількість викинутої техніки.

За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я, щороку з'являються мільйони тонн електронних відходів. У 2019 році в усьому світі було вироблено близько 53,6 млн тонн, а за прогнозами експертів, ця цифра тільки зростатиме, оскільки технології продовжують розвиватися, а споживчий попит на нові пристрої залишається високим.

Велика частина таких відходів містить небезпечні матеріали, такі як свинець, ртуть і антипірени. Ці речовини становлять серйозну небезпеку для здоров'я і довкілля в разі неправильного поводження, часто вимиваючись у ґрунт і водні джерела або виділяючи токсичні пари під час спалювання.