Spin separation of Dirac electrons by twisted and vector optical beams

In de wereld van de moderne elektronica is het vermogen om de minuscule magnetische oriëntatie van een elektron, de zogenaamde spin, te beheersen een heilige graal. Deze eigenschap maakt het mogelijk om gegevens efficiënter op te slaan en te verwerken dan met traditionele elektrische ladingen alleen. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze spins te manipuleren met behulp van licht, in de hoop snellere, koelere en krachtigere apparaten te creëren. De uitdaging is altijd geweest dat lichtgolven ongelooflijk groot zijn vergeleken met de atomen waar ze tegenaan botsen. Terwijl een lichtstraal kan draaien of tollen op een schaal die met het blote oog zichtbaar is, vindt de interactie met een enkel elektron plaats in een ruimte die zo klein is dat het licht eruitziet als een platte, uniforme plaat. Vanwege deze verschil in grootte is het proberen te gebruiken van de complexe vormen van licht om direct de spin van een elektron te laten draaien, een zeer inefficiënt proces gebleken, dat vaak bijna geen resultaat oplevert.

Een team onderzoekers aan het Ioffe Instituut in Sint-Petersburg heeft nu een andere manier voorgesteld om dit puzzelstukje op te lossen, een manier die de noodzaak voor een directe, microscopische handdruk tussen licht en elektron omzeilt. Zij suggereren dat we, in plaats van te proberen het elektron direct te laten draaien, speciaal gevormde lichtbundels kunnen gebruiken om een stroom elektronen te creëren die van nature scheidt op basis van spin. Stel je een rivier voor waarbij het water zelf niet draait, maar de oevers zo gevormd zijn dat ze het water dwingen om te splitsen in twee afzonderlijke stromen. In hun studie gebruikten de onderzoekers twee soorten gestructureerde lichtbundels: "gedraaide" bundels die een spiraalvormige fase dragen, en "vectorbundels" waarbij de richting van de trilling van het licht roteert terwijl je over de bundel beweegt. Cruciaal is dat geen van beide bundels gebruikmaakt van de circulaire polarisatie die elektronen gewoonlijk omhoog of omlaag laat spinnen. In plaats daarvan vertrouwen ze op het ruimtelijke patroon van het licht om stromen te genereren die elektronen met tegengestelde spins in verschillende richtingen duwen.

De onderzoekers concentreerden zich op een klasse materialen die twee-dimensionale Dirac-materialen worden genoemd, specifiek kijkend naar monolagen van overgangsmetaaldichalcogeniden. Dit zijn atoomdunne vellen materie die zich gedragen als een uniek type vloeistof voor elektronen. Wanneer deze vellen worden bestraald door de gestructureerde bundels, creëert het licht een getextureerd patroon van spinstromen. Dit zijn stromen van elektronen waarbij de richting van beweging gekoppeld is aan hun spin. De studie toont aan dat deze stromen niet in een rechte lijn stromen; ze divergeren, zij spreiden zich uit vanaf het centrum van de bundel. Terwijl deze stromen zich verspreiden, ondervinden ze weerstand en vertragen ze uiteindelijk, een proces dat relaxatie wordt genoemd. Het samenspel tussen de uitdijende stroom en het vertragen zorgt ervoor dat de elektronen zich ophopen in specifieke gebieden, wat leidt tot een constante accumulatie van spin. Het resultaat is een kaart van de spindichtheid die het complexe patroon van de lichtbundel zelf weerspiegelt.

Om te begrijpen hoe dit werkt, bekeken het team twee specifieke scenario's. In het eerste geval gebruikten ze gedraaide bundels die orbitale impulsmoment dragen, wat het licht een kurkentrekkerachtige structuur geeft. In het tweede geval gebruikten ze vectorbundels waarbij de polarisatie, of de richting waarin de lichtgolven trillen, rond het centrum roteert. In beide gevallen is het licht lokaal lineair, wat betekent dat het licht in elk enkel punt in een rechte lijn trilt, maar de richting van die lijn verandert terwijl je over de bundel beweegt. De onderzoekers ontdekten dat deze veranderende richting de sleutel is. Het genereert een spinstroom die afhankelijk is van hoe de polarisatie van punt naar punt verandert. Wanneer deze stromen divergeren, laten ze een spoor van gescheiden spins achter. Het team berekende dat deze indirecte methode aanzienlijk efficiënter is dan het proberen over te dragen van de draaiing van het licht direct aan het elektron, potentieel met een factor die gerelateerd is aan hoe ver een elektron aflegt voordat het een defect in het materiaal raakt.

De onderzoekers voerden gedetailleerde numerieke simulaties uit om te zien hoe deze spinpatronen er in echte materialen uit zouden zien. Ze gebruikten parameters die relevant zijn voor overgangsmetaaldichalcogenide-lagen, zoals een bandkloof van 2 elektronvolt en een spinrelaxatietijd van 10 nanoseconden. De simulaties onthulden duidelijke ruimtelijke patronen. Voor de gedraaide bundels vormde de spindichtheid ringen en spiralen die afhankelijk waren van het aantal draaiingen in het licht. Voor de vectorbundels werd het patroon bepa eigenlijk door hoe vaak de polarisatievector rond het centrum roteerde. Interessant genoeg, als de polarisatie perfect radiaal of axiaal was uitgelijnd, trad er geen spin-scheiding op. Echter, wanneer de polarisatie onder een hoek van 45 graden stond, was de scheiding het meest efficiënt, wat een sterke, gelokaliseerde spindichtheid creëerde. De studie toonde ook aan dat de omvang van deze spinpatronen niet slechts een kopie is van het lichtpatroon, maar wordt afgevlakt door de diffusie van elektronen, die zich enkele micrometers kunnen verplaatsen voordat hun spin relaxeert.

De bevindingen suggereren een nieuw mechanisme om de complexe geometrie van licht op de spin van elektronen te imprimeren zonder dat daar circulaire polarisatie voor nodig is. Dit betekent dat de draaiing van een lichtbundel of de vorticiteit van de polarisatie kan worden vertaald naar een tastbaar magnetisch patroon in een vast materiaal. De onderzoekers merken op dat deze spintexturen experimenteel gedetecteerd kunnen worden met gevestigde technieken zoals Faraday- of Kerr-rotatie, die meten hoe licht reflecteert van een magnetisch oppervlak. Hoewel het werk momenteel theoretisch is en gebaseerd op berekeningen, biedt het een duidelijk pad voor hoe de vorm van licht gebruikt kan worden om de spin van elektronen te beheersen in toekomstige spintronische apparaten. Door af te stappen van de moeilijke taak van directe overdracht en de kracht van gestructureerde stromen te omarmen, biedt deze aanpak een veelbelovend pad naar een efficiëntere controle van kwantuminformatie.