Що таке орбітроніка і коли вона стане заміною електроніки?

Завдяки новому відкриттю, технології майбутнього можуть стати не лише більш потужними, але й екологічно безпечнішими.

Група науковців з Німеччини та Швейцарії завершила роботу над дослідженням, яке прокладає шлях до нової категорії технологій, відомої як "орбітроніка". Всі деталі вони виклали у статті, що з'явилася в 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.

Основою орбітроніки є орбітальний кутовий момент електронів, які обертаються навколо ядер атомів. Ця сфера має значні перспективи для розвитку пам'яті, оскільки висока намагніченість може бути досягнута за допомогою відносно невеликих електричних струмів, що зменшує витрати енергії. Найважливіше завдання для науковців сьогодні полягає у пошуку оптимальних матеріалів для генерації потоків орбітального кутового моменту.

У свіжому дослідженні науковці довели, що необхідні характеристики притаманні хіральним топологічним напівметалам — новітньому класу матеріалів, який був виявлений в Інституті Пауля Шеррера у 2019 році. Ці матеріали мають спіральну атомну структуру, що нагадує спіраль 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.

У хіральних топологічних металах існує особлива структура, відома як "монополь". У таких "монополях" обертовий момент (ОКМ) вивільняється з центральної точки рівномірно в усіх напрямках. Проте до сьогоднішнього дня існування монополів залишалося лише предметом наукових теорій.

У своєму дослідженні команда під керівництвом Шулера проаналізувала два види хіральних топологічних напівметалів у Swiss Light Source SLS: один з них був на основі паладію і галію, а інший — платини і галію. Вчені варіювали енергію фотонів, проводили вимірювання сигналів і вперше в історії експериментально підтвердили існування монополів ОКМ.

Згідно з інформацією, опублікованою на сайті The DeBrief, це дослідження є кроком до майбутнього, в якому технологічні пристрої стануть не лише більш продуктивними, а й екологічно чистими. Проблема електронних відходів на Землі стала надзвичайно актуальною через величезну кількість викинутої електроніки.

Згідно з інформацією Всесвітньої організації охорони здоров'я, щорічно утворюється величезна кількість електронних відходів, що сягає мільйонів тонн. У 2019 році світова продукція електронних відходів становила приблизно 53,6 мільйона тонн, і, за оцінками фахівців, ця цифра лише зростатиме. Це пов'язано з постійним розвитком технологій та високим попитом споживачів на нові електронні пристрої.

Багато з цих відходів містять небезпечні елементи, такі як свинець, ртуть та антипірени. Неправильне їх утилізування може призвести до серйозних загроз для здоров'я людини та навколишнього середовища, оскільки ці речовини можуть потрапляти в ґрунт і води, а також вивільняти токсичні гази при спалюванні.

Не так давно повідомлялося, що вчені-фізики розробили новий матеріал, здатний перевернути світ електроніки. Ця тонка плівка демонструє неймовірно високу швидкість переміщення електронів, що відкриває нові можливості для спінтронних пристроїв.