Spin separation of Dirac electrons by twisted and vector optical beams

Nel mondo dell'elettronica moderna, la capacità di controllare l'orientamento magnetico infinitesimale di un elettrone, noto come il suo spin, è un traguardo fondamentale. Questa proprietà permette di archiviare ed elaborare i dati in modo più efficiente rispetto alle sole cariche elettriche tradizionali. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di manipolare questi spin utilizzando la luce, sperando di creare dispositivi più veloci, più freddi e più potenti. La sfida è sempre stata il fatto che le onde luminose sono incredibilmente grandi rispetto agli atomi che colpiscono. Mentre un fascio di luce potrebbe ruotare o vorticare su una scala visibile a occhio nudo, l'interazione con un singolo elettrone avviene in uno spazio così piccolo che la luce appare come un foglio piatto e uniforme. A causa di questo disallineamento dimensionale, tentare di usare le forme complesse della luce per torcere direttamente lo spin di un elettrone si è rivelato un processo molto inefficiente, che spesso non produce quasi alcun risultato.

Un team di ricercatori dell'Istituto Ioffe di San Pietroburgo ha ora proposto un modo diverso per risolvere questo enigma, uno che evita la necessità di una stretta di mano microscopica e diretta tra luce ed elettrone. Suggeriscono che, invece di cercare di torcere direttamente l'elettrone, possiamo usare fasci di luce con forme particolari per creare un flusso di elettroni che si separa naturalmente per spin. Immaginate un fiume dove l'acqua stessa non sta ruotando, ma le sponde sono modellate in modo da costringere l'acqua a dividersi in due flussi distinti. Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato due tipi di fasci di luce strutturata: fasci "ritorti" che trasportano una fase a spirale, e fasci "vettoriali" in cui la direzione della vibrazione della luce ruota mentre ci si sposta attraverso il fascio. Fondamentalmente, nessuno di questi fasci utilizza la polarizzazione circolare che tipicamente fa ruotare gli elettroni verso l'alto o verso il basso. Essi si affidano invece al modello spaziale della luce per generare correnti che spingono elettroni con spin opposti in direzioni diverse.

I ricercatori si sono concentrati su una classe di materiali chiamati materiali Dirac bidimensionali, guardando specificamente a monostrati di dicalcogenuri di metalli di transizione. Questi sono fogli di materia sottili quanto un atomo che si comportano come un tipo unico di fluido per gli elettroni. Quando questi fogli vengono illuminati dai fasci di luce strutturata, la luce crea un modello testurizzato di correnti di spin. Si tratta di flussi di elettroni in cui la direzione del movimento è legata al loro spin. Lo studio mostra che queste correnti non fluiscono in linea retta; esse divergono, espandendosi dal centro del fascio. Mentre queste correnti si espandono, incontrano resistenza e infine rallentano, un processo noto come rilassamento. L'interazione tra il flusso in espansione e il rallentamento fa sì che gli elettroni si accumulino in aree specifiche, creando un accumulo costante di spin. Il risultato è una mappa della densità di spin che rispecchia i complessi modelli del fascio di luce stesso.

Per capire come ciò funzioni, il team ha esaminato due scenari specifici. Nel primo, hanno utilizzato fasci ritorti che trasportano momento angolare orbitale, il che conferisce alla luce una struttura simile a una vite. Nel secondo, hanno utilizzato fasci vettoriali in cui la polarizzazione, ovvero la direzione in cui le onde luminose vibrano, ruota attorno al centro. In entrambi i casi, la luce è localmente lineare, il che significa che in ogni singolo punto la luce vibra in linea retta, ma la direzione di tale linea cambia mentre ci si sposta attraverso il fascio. I ricercatori hanno scoperto che questa direzione variabile è la chiave. Essa genera una corrente di spin che dipende da come la polarizzazione cambia da un punto all'altro. Quando queste correnti divergono, lasciano dietro di sé una scia di spin separati. Il team ha calcolato che questo metodo indiretto è significativamente più efficiente del tentativo di trasferire direttamente la torsione della luce all'elettrone, potenzialmente di un fattore correlato alla distanza che un elettrone percorre prima di colpire un difetto nel materiale.

I ricercatori hanno eseguito simulazioni numeriche dettagliate per vedere come questi modelli di spin apparirebbero in materiali reali. Hanno utilizzato parametri rilevanti per gli strati di dicalcogenuro di metalli di transizione, come un band gap di 2 elettronvolt e un tempo di rilassamento dello spin di 10 nanosecondi. Le simulazioni hanno rivelato modelli spaziali distinti. Per i fasci ritorti, la densità di spin ha formato anelli e spirali che dipendevano dal numero di torsioni della luce. Per i fasci vettoriali, il modello era determinato da quante volte il vettore di polarizzazione ruotava mentre si girava attorno al centro. Interessante è che, se la polarizzazione fosse allineata perfettamente in modo radiale o azimutale, non si sarebbe verificata alcuna separazione di spin. Tuttavia, quando la polarizzazione era impostata a un angolo di 45 gradi, la separazione era più efficiente, creando una densità di spin forte e localizzata. Lo studio ha anche dimostato che la dimensione di questi modelli di spin non è solo una copia del modello di luce, ma è levigata dalla diffusione degli elettroni, che possono percorrere diversi micrometri prima che il loro spin si rilassi.

Le scoperte suggeriscono un nuovo meccanismo per imprimere la geometria complessa della luce sullo spin degli elettroni senza la necessità della polarizzazione circolare. Ciò significa che la torsione di un fascio di luce o la vorticità della sua polarizzazione possono essere tradotte in un modello magnetico tangibile in un materiale solido. I ricercatori osservano che queste texture di spin potrebbero essere rilevate sperimentalmente utilizzando tecniche consolidate come la rotazione di Faraday o di Kerr, che misurano come la luce si riflette da una superficie magnetica. Sebbene il lavoro sia attualmente teorico e basato su calcoli, esso fornisce una tabella di marcia chiara su come utilizzare la forma della luce per controllare lo spin degli elettroni nei futi dispositivi spintronici. Allontanandosi dalla difficile attività del trasferimento diretto e abbracciando la potenza delle correnti strutturate, questo approccio offre una strada promettente verso un controllo più efficiente dell'informazione quantistica.