Ultraszybka spektroskopia terahercowa odkrywa nowe fakty o ruchu ultraszybkich elektronów w grafenie i materiałach magnetycznych.

W serii innowacyjnych eksperymentów, naukowcy zbadali, w jaki sposób grafen i metale ferromagnetyczne przewodzą elektryczność w ultrakrótkich skalach czasu, co jest istotne dla elektroniki wysokich prędkości następnej generacji.

Badania podstawowe

Prace w ramach projektu LIGHTER, któremu przewodzą Niemcy, zorientowane na badaniu interakcji światła i materii w ultrakrótkich skalach czasu, przyniosły wyniki w równym stopniu istotne dla fizyków i inżynierów. Projekt, wspierany z grantu Marie Curie Career Integration, udzielonemu badaczowi Dmitry'emu Turchinovichowi, opierał się na zaawansowanej spektroskopii terahercowej w celu zbadania niektórych fundamentalnych aspektów elektroniki. „Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób elektrony w technologicznie istotnych materiałach - metalach ferromagnetycznych, grafenie i innych - wchodzą w interakcje z polami elektrycznymi w ultrakrótkich skalach czasu, liczonych w pikosekundach lub mniejszych jednostkach" - mówi profesor Turchinovich, który w czasie trwania projektu prowadził grupę badań nad polimerami w Instytucie Maxa Plancka w Mainz, w Niemczech. To są podstawowe skale czasowe podstawowej dynamiki ciał stałych„ Wreszcie uzyskano dowód teorii Motta Współczesne magnetyczne nośniki pamięci, takie jak komputerowe twarde dyski o wysokiej pojemności, przechowują informacje w postaci maleńkich bitów magnetycznych, do których zapytania przesyłane są z magnetycznych czujników w nanoskali, zwanych zaworami spinowymi. Zawory spinowe działają na podstawie zasady przewodzenia elektrycznego w metalach ferromagnetycznych, opracowanej przez fizyka z Wielkiej Brytanii, Nevilla Motta, jeszcze w 1936 r. Wedle teorii Motta, prądy elektryczne w wymienionych metalach są przenoszone przez dwa rodzaje elektronów o odmiennych spinach, które napotkają odmienny opór podczas przemieszczania się wewnątrz metalu „Odkryliśmy sposób eksperymentalnego rozwikłania tych prądów dzięki elektronom ze spinem up i down" - mówi profesor Turchinovich. Dzięki wykorzystaniu ultraszybkiej spektroskopii terahercowej, badacze zdołali określić liczbę elektronów ze spinem up oraz ze spinem down, oraz zmierzyć, w jakim tempie spowalniają w obrębie metalu. Właśnie to, pierwsza obserwacja poczyniona na podstawie fundamentalnej teorii Motta, pozwoliła również badaczom zyskać lepsze zrozumienie współczesnej technologii magnetycznych nośników pamięci. „Ustaliliśmy, że tradycyjne pomiary w dłuższych skalach czasu znacznie zaniżają asymetrię spinów, odpowiedzialną za działanie czujników magnetycznych" - mówi profesor Turchinovich. Omawiana metoda, opisana w publikacji Nature Physics(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przyczynia się do rozwoju całkowicie nowej dyscypliny - spintroniki terahercowej - i dostarcza naukowcom sposobu łatwego przeglądu wielu różnych związków magnetycznych celem odkrycia tego, który okaże się najbardziej odpowiedni na potrzeby opracowania wydajnych urządzeń. Termodynamika rządzi Drugie pasmo badań, spośród wielu innych, dotyczyło tego, jak grafen przewodzi elektryczność przy bardzo wysokich częstotliwościach, co jest istotne w kontekście ultraszybkiej elektroniki następnej generacji. Zespół LIGHTER zastosował wyłącznie optyczne środki do stworzenie zbliżonych do tranzystora warunków silnego pola elektrycznego wysokich częstotliwości wewnątrz grafenu oraz do bezpośredniego pomiaru reakcji elektronicznej. „Jeśli przez grafen przepływa prąd elektryczny, znajdujące się wewnątrz niego elektrony swobodne, zazwyczaj opisywane jako swego rodzaju ciecz, "odparowują" i zaczynają się zachowywać bardziej jak gaz, który znacznie zmienia właściwości przewodzące materiału" - mówi profesor Turchinovich. „Ostatecznie, sposób przewodzenia elektryczności przez grafen jest uwarunkowany przez temperaturę tego gazu elektronowego. To sprawia, że opis elektroniki grafenowej jest bardzo prosty - zasadniczo wystarczy użyć podstawowych praw zachowawczych" - dodaje. Odkrycie opublikowano na stronie Nature Communications(odnośnik otworzy się w nowym oknie) 16 lipca 2015 r. Profesor Turchinovich uważa, że uzyskany nowy wgląd pomoże poczynić się do postępu w opracowaniu produktu. „Inżynierzy mogą wykorzystać nasz prosty model termodynamiczny, by przewidywać wydajność badanych przez nich tranzystorów grafenowych lub fotodetektorów i je zoptymalizować" - konkluduje. Nowa wiedza wypracowana w trakcie czteroletniego projektu LIGHTER doprowadziła do publikacji 27 prac. Pod koniec projektu, osiągnięte powodzenie badawcze przyczyniło się do nominowania profesora Turchinovicha na stanowisko profesora fizyki na uniwersytecie University of Duisburg-Essen w Niemczech.