Elektrisches Feld kehrt Chiralität und Spin-Richtung des Phonons im ferroelektrischen Kristall um

Ein internationales Forscherteam hat gezeigt, dass ein elektrisches Feld sowohl die Chiralität als auch die Spin-Richtung von Phononen in einem ferroelektrischen Kristall umkehren kann, was einen Durchbruch in der Spintronik bedeutet. Die Studie, die mit Triglycinsulfat (TGS), einem ferroelektrischen molekularen Kristall, durchgeführt wurde, zeigt, dass die Anwendung eines elektrischen Feldes während der ferroelektrischen Phase die aktive Kontrolle der Phonon-Chiralität und der damit verbundenen Spin-Richtung ermöglicht. Dieser Befund könnte den Weg für die Entwicklung schnellerer und energieeffizienterer Spintronikgeräte ebnen. Das Experiment beinhaltete die Kühlung von TGS in seine ferroelektrische Phase, in der Dipole ausgerichtet sind, um eine spontane Polarisierung zu erzeugen.

Anschließend wurde ein elektrisches Feld aufgetragen, wodurch die Dipolmomente in eine bestimmte Richtung ausgerichtet wurden. Diese Ausrichtung ermöglichte es ihnen, die polaren und chiralen Richtungen des Kristalls zu wechseln, wodurch die Chiralität der Phonone effektiv kontrolliert wurde. Der Prozess wurde mit dem zeitaufgelösten magneto-optischen Kerr-Effekt (TR-MOKE) überwacht, wodurch die Forscher die Spin-Polarisierungsrichtung messen und beobachten konnten, wie sie sich als Reaktion auf die Umkehrung der Chiralität änderte.

Laut Xiaotong Li, Assistenzprofessor für Chemie an der North Carolina State University und Co-Korrespondent-Autor der Studie, zeigen die Ergebnisse, dass Ferroelektrik die strukturelle Chiralität steuert, die wiederum chiralische Phononen unter Wärmefluss aktiviert. Diese Phononen übertragen dann Winkelmomentum auf elektronische Spins und ermöglichen eine elektrische Kontrolle über Spin. Die Forscher bestätigten ihre Beobachtungen mit Dichtefunktionstheorie-Simulationen, die die atomaren Bewegungen aufdeckten, die dem Phänomen zugrunde liegen.

Bei TGS-Übergängen zwischen seinen ferroelektrischen Zuständen kehren die wichtigsten Glycin-Phonon-Modi ihre kreisförmige Bewegung um und bieten einen detaillierten mikroskopischen Überblick über die wechselbare Phonon-Chiralität. Yi Xia, Assistenzprofessor für Maschinen- und Werkstofftechnik an der Portland State University und Co-Korrespondent-Autor der Arbeit, stellte fest, dass diese Simulationen die experimentellen Ergebnisse unterstützen und Einblick in die grundlegende Physik geben. Xiang-Bin Han, Postdoktorand in der Li-Gruppe an der NC State und Co-Erstautor der Studie, betonte die praktischen Auswirkungen der Entdeckung.

Er erklärte, dass die Fähigkeit, die Spin-Richtung durch ein elektrisches Feld zu steuern, anstatt sich auf externe Magnetfelder oder andere komplexe Mechanismen zu verlassen, das Design von Spintronik-Geräten vereinfachen könnte.

Durch die Demonstration der direkten elektrischen Steuerung der Chiralität und des Spins von Phononen haben die Forscher neue Möglichkeiten für die Entwicklung elektronischer Geräte der nächsten Generation eröffnet, die mit höherer Geschwindigkeit und geringem Stromverbrauch arbeiten.