Ingrid Fadelli , Phys.org

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriSolda: spin-əksəriyyətli mobil operatorlar doldurulmuş Landau səviyyələrində hərəkətsiz eyni fırlanmalı yük fonundan keçə bilər. Sağda: Fermi səviyyələrində spin-azlıq daşıyıcıları, doldurulmuş Landau səviyyələrində əks fırlanma yükləri ilə qarşılıqlı təsirlərə görə lokallaşdırılır. Kredit: Shih et al

Spintronics, adi elektronika kimi təkcə elektronların yükündən deyil, həm də onların spinindən (yəni, onların daxili bucaq momentumundan) istifadə edən perspektivli cihazlardır. Sürətli və enerjiyə qənaət edən spintronik cihazların inkişafı çox dərəcədə tənzimlənə bilən spin-selektiv keçiriciliyə malik materialların müəyyən edilməsindən asılıdır, bu da o deməkdir ki, mühəndislər ideal olaraq xarici maqnit və ya elektrik sahələrindən istifadə edərək müxtəlif spin oriyentasiyalı elektronların bu materiallarda necə hərəkət etdiyini idarə edə bilirlər.

Kolumbiya Universitetinin və Milli Yüksək Maqnit Sahəsi Laboratoriyasının tədqiqatçıları bu yaxınlarda atomik nazik keçid metal dikalkogenidində, yəni volfram diseleniddə (WSe ₂ ) yük daşıyıcılarının spin-selektiv daşınmasına imkan verən yeni mexanizm təqdim etdilər. Onların Nature Physics- də dərc olunmuş məqaləsi spintronik cihazlar üçün yığcam və enerjiyə qənaət edən komponentlərin inkişafı üçün yeni imkanlar aça bilər.

“Spin elektronların fundamental kvant xassəsidir və sadələşdirilmiş şəkildə onu “yuxarı” və ya “aşağı” göstərən kiçik daxili kompas iynəsi kimi təsəvvür etmək olar”, – məqalənin ilk müəllifi En-Min Şih bildirib. “Spin maqnetizmin mərkəzində yerləşir və bir çox texnologiyalarda həlledici rol oynayır. Məsələn, sabit diskdə məlumat nanoölçülü bölgələrin maqnitləşməsinin yuxarı və ya aşağı istiqamətləndirilməsinə əsaslanaraq saxlanılır. Bu yolla, müəyyən bir bölgədəki spinləri müəyyən bir istiqamət üzrə sıralamağa məcbur edərək məlumatı “yazmaq” olar, lakin siz məlumatı necə “oxumaq” olar?

Spintronik cihazlarda saxlanılan məlumatları “oxumaq” üçün ümumi yanaşmalardan biri elektrik cərəyanının materialın maqnitlənmiş bölgələrindən nə qədər asanlıqla keçdiyini ölçməkdən ibarətdir. Bu yanaşma elektrik cərəyanının spini olan hərəkət edən elektronlar tərəfindən daşınmasına əsaslanır.

“Əsas ideya ondan ibarətdir ki, hərəkət edən elektronların fırlanması yaxınlıqdakı maqnitdəki spinlərə uyğun gələndə elektrik keçiriciliyi yüksək olur (elektronlar asanlıqla hərəkət edə bilir), spinlər uyğun gəlmədikdə isə keçiricilik aşağı olur (elektronlar maneə törədir)” deyə layihənin aparıcı PI rəhbəri Kori Din izah edir.

“Mövcud texnologiya yaxşı işləsə də, onu hazırlamaq çətin və bahalıdır, çünki ilk növbədə siz müxtəlif materialları mürəkkəb strukturlara inteqrasiya etməlisiniz. İşimizdə biz sadə bir sual verdik: Yalnız bir qeyri-maqnit materialdan istifadə edərək spin-selektiv nəqliyyata nail ola bilərikmi – burada yalnız müəyyən spin vəziyyətinə malik elektronlar hərəkət edə bilər?”

Son tədqiqatlarının bir hissəsi olaraq, komanda xüsusi olaraq qrafen kimi atomik olaraq nazik olması üçün sintez edilə bilən bir material olan WSe _2- də spin-selektiv nəqliyyatı həyata keçirməyə çalışdı. Bununla belə, qrafendən fərqli olaraq, WSe ₂ , xarici maqnit sahəsi tətbiq edildikdə spin “yuxarı” və “aşağı” enerji səviyyələri arasında böyük enerji parçalanması və yük daşıyıcıları arasında daha güclü Coulomb qarşılıqlı təsir göstərir, eyni zamanda daha böyük effektiv kütləə malikdir.

“Biz yüksək maqnit sahələri altında yüksək keyfiyyətli WSe ₂ cihazlarında nəqliyyat ölçmələrini həyata keçirdik” dedi məqalənin birinci müəllifi Qianhui Shi. “Maqnit sahəsi Landau səviyyələri kimi tanınan diskret enerji səviyyələrini induksiya edir. Landau səviyyələrinin görünüşü böyük maqnit sahələrinin mövcudluğunda hər hansı iki ölçülü materialın ümumi xüsusiyyətidir.

“Əksər sistemlərdə Landau səviyyə ardıcıllığı alternativ spin-up və spin-down səviyyələrindən ibarətdir. Belə ki, onları doldurmaq üçün bu səviyyələrə elektronlar əlavə etsəniz, birinci səviyyədə bütün spinlər yuxarı, ikinci səviyyədə isə bütün spinlər aşağı yönəldilir və s. olur. Bu baxımdan, WSe ₂ müstəsna dərəcədə unikaldır ki, bir neçə səviyyə sizdən əvvəl eyni fırlanma vəziyyətinə malik ola bilər.”

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Əvvəlki araşdırmalarında Shi və onun həmkarları WSe _2- də unikal və maraqlı fırlanma nümunələri müşahidə etdilər . Məsələn, bir araşdırmada, materialın böyük bir maqnit sahəsinin altında olduğu zaman, aşağı fırlanma səviyyəsi görünməzdən əvvəl altı qədər fırlanma səviyyəsinin doldurulacağını tapdılar.

“Bu yeni araşdırmada başa düşdük ki, biz ən yüksək landau səviyyəsində axan cərəyana baxdığımız zaman o, maqnit yaddaş üçün istifadə edilən sendviç strukturlarına bənzəyir” dedi Şi izah etdi. “Məsələn, ən yüksək səviyyədəki spin bütün aşağı səviyyələrlə eynidirsə, keçiricilik yüksəkdir. Lakin ən yüksək səviyyənin spini aşağı səviyyələrə zidd olduqda, keçiricilik aşağı olur.

“Bu, bir növ spin-selektiv nəqliyyat effektidir, lakin cərəyan daşıyıcı və maqnit təbəqələri fiziki olaraq iki fərqli materialla məhdudlaşmır, bir materialda enerji səviyyələri arasında ayrılır.”

Maraqlıdır ki, tədqiqatçılar Fermi səviyyəsində mobil daşıyıcıların spinindən asılı olaraq WSe ₂ -nin elektrik keçiriciliyində dramatik kontrast müşahidə etdilər . Bu, mahiyyətcə materiallarda yük daşıyıcılarının ən yüksək işğal vəziyyətini təmsil edən enerji səviyyəsidir.

“Bu daşıyıcılar əksər spin qrupuna aid olduqda (aşağı enerji “doldurulmuş” səviyyələrlə eyni spin), onlar sərbəst hərəkət edə və əhəmiyyətli keçiriciliyə töhfə verə bilərlər; azlıq spin qrupunda olduqda (doldurulmuş səviyyələrə əks spin) onların hərəkəti effektiv şəkildə bastırılır – onlar lokallaşır və keçiricilik kəskin şəkildə azalır “dedi.

“Bizi ən təəccübləndirən o idi ki, bu, kiçik bir təsir deyil və həqiqətən də, düzgün şəraitdə, heç bir keçiricilik göstərməyən aşağı keçiricilik vəziyyəti ilə olduqca dramatik ola bilər, yəni əsl “söndürülmüş” vəziyyət.”

Şih və həmkarları öz məqalələrində WSe _2- də müşahidə etdikləri maraqlı effekt üçün mümkün izahat təqdim etməyə çalışdılar . Nəhayət, onlar təklif etdilər ki, təsir mobil daşıyıcıların artıq doldurulmuş, inert elektron vəziyyətlərin fonunda qarşılıqlı təsir gücündən yarana bilər.

“Mobil daşıyıcıların arxa plandan fərqli bir dönüşü olduqda, onlar hərəkətsiz yüklərlə güclü Coulomb qarşılıqlı təsirini yaşayırlar – onlar əsasən arxa planda hərəkətsiz yüklər tərəfindən “sürüklənirlər” və yavaş-yavaş hərəkət etməyə məcbur olurlar və ya ümumiyyətlə hərəkət etmirlər” deyə məqalənin nəzəri əməkdaşı Kun Yang izah etdi.

“Əksinə olaraq, spinlər uyğunlaşdıqda, Pauli istisnasının kvant prinsipi onların çox güclü qarşılıqlı əlaqəsinə mane olur və bu rejimdə mobil elektronlar hərəkətsiz yüklərə çox əhəmiyyət vermədən keçir.”

Tədqiqatçılar nümayiş etdirdilər ki, təcrübələrində müşahidə olunan təsir spin-selektiv nəqliyyatı həyata keçirmək üçün istifadə edilə bilər. Üstəlik, spin-selektiv nəqliyyatın əldə olunduğu mexanizmin (yəni, güclü Coulomb qarşılıqlı əlaqəsi və fərqli enerji zolaqlarında spinin ayrılması arasında qarşılıqlı əlaqə) spin-selektiv nəqliyyata təkan verən digər əvvəllər qeyd olunan mexanizmlərlə müqayisədə nəzərəçarpacaq üstünlüklərə malik olduğu aşkar edilmişdir.

“Məkan baxımından ayrılmış maqnit domenləri olan maqnit-rezistiv heterostrukturlardan fərqli olaraq, bu mexanizm enerji ilə ayrılmış zolaqlarda yerləşən sərbəst və lokallaşdırılmış spinlər arasında qarşılıqlı təsirlə idarə olunan tək material daxilində spin filtrasiyasına nail olur” dedi Din. “Bundan əlavə, biz Fermi səviyyəsini maqnit və ya elektrik sahəsi ilə spin çoxluq və ya azlıq səviyyələrində yaşamaq üçün tənzimləyə bildiyimiz üçün spin seçmə qabiliyyəti yüksək səviyyədə tənzimlənir.”

Shih, Dean, Shi və onların həmkarlarının bu son işi yığcam, səmərəli və tənzimlənə bilən spintronik cihazların istehsalı üçün yeni perspektivli yol təqdim edir. Növbəti araşdırmalarında tədqiqatçılar müəyyən etdikləri mexanizmi daha dərindən araşdırmağı, onun xarici maqnit sahəsindən istifadə etmədən də istifadə oluna biləcəyini anlamaq niyyətindədirlər .

“WSe₂-nin iki qatını kiçik bir açı ilə bükməklə əmələ gələnlər kimi Moir strukturları, istehsal olunan Landau səviyyələrinə bənzəyən, lakin maqnit sahəsini tələb etmədən düz zolaqlara malikdir” dedi Şi. “Bundan əlavə, biz tədqiqatımızda göstərdik ki, bu təsir təkcə “həqiqi hissəcik spini ” deyilən şeyə deyil, həm də elektronun materialın atom quruluşunu necə hərəkət etdirməsi ilə əlaqəli kvant xüsusiyyəti olan vadi psevdospin kimi bu səviyyələrlə əlaqəli digər kvant nömrələrinə əsaslanır.

“Bu, gələcək texnologiya imkanları üçün əhəmiyyətli ola bilər, çünki vadi psevdospinası maqnit sahələri ilə deyil, optiklərlə idarə oluna bilər.”

Müəllifimiz İnqrid Fadelli tərəfindən sizin üçün yazılmış , Liza Lok tərəfindən redaktə edilmiş və Endryu Zinin tərəfindən yoxlanılmış və nəzərdən keçirilmiş bu məqalə diqqətli insan əməyinin nəticəsidir. Müstəqil elmi jurnalistikanı yaşatmaq üçün sizin kimi oxuculara güvənirik. Bu hesabat sizin üçün əhəmiyyət kəsb edirsə, lütfən, ianə (xüsusilə aylıq) nəzərdən keçirin. Siz təşəkkür olaraq reklamsız hesab əldə edəcəksiniz .

Daha çox məlumat: En-Min Shih et al, WSe _2- də Spin-selektiv maqnit keçiriciliyi , Təbiət Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02918-5

Jurnal məlumatı: Təbiət Fizikası 

© 2025 Science X Network