Электрон-электронное и спин-орбитальное взаимодействия конкурируют за контроль над электроном

Электроны обладают свойством, называемым спином, которое можно грубо представить как вращение электрона вокруг оси.

На спин электрона влияет как движение электрона через спин-орбитальное взаимодействие, так и взаимодействие с другими электронами через кулоновский эффект. Предоставлено: Мари Исида; RIKEN Центр изучения новой материи

Когда электрон движется, его движение и спин могут быть связаны посредством эффекта, известного как спин-орбитальная связь. Этот эффект полезен, потому что он предлагает способ внешнего управления движением электрона в зависимости от его спина – жизненно важная возможность для развивающейся технологии, называемой спинтроникой, которая стремится использовать спин электрона для реализации обработки информации с низким энергопотреблением.

Спин-орбитальная связь представляет собой сложную смесь квантовой физики и теории относительности, но ее становится немного легче понять, если представить себе круглый футбольный мяч. «Если футболист бьет по мячу, он летит по прямой траектории», – объясняет Денис Мариенко из Центра исследований возникающих проблем материи RIKEN. «Но если игрок дает мячу вращение или вращение, его траектория искривляется». Траектория мяча и его вращательное движение связаны. Если его направление вращения поменять местами, траектория мяча будет изгибаться в противоположном направлении.

В отличие от футбольных мячей, электроны также взаимодействуют друг с другом: например, две отрицательно заряженные частицы будут отталкиваться друг от друга. Это взаимное отталкивание и спин-орбитальное взаимодействие конкурируют друг с другом: первое может действовать, чтобы выровнять спин электрона со спином других электронов, тогда как второе пытается выровнять спин электрона с его движением.

«Это взаимодействие в последнее время вызывает большой интерес, поскольку может привести к появлению новых электронных и спиновых фаз, которые могут быть использованы в будущих квантовых технологиях», – говорит Мариенко. «Таким образом, важно понимать основы взаимодействия». Но одновременно выявить оба эффекта невероятно сложно.

Теперь Мариенко и его коллеги сумели разделить эти два эффекта.

Они смотрели на электроны, захваченные между двумя полупроводниками, оксидом магния, цинка и оксидом цинка. Поскольку в системе было очень мало атомных примесей, между электронами было сильное взаимодействие. И исследователи могли контролировать силу спин-орбитальной связи, варьируя содержание магния.

«Мы внимательно посмотрели, как изменяется сопротивление образца при приложении магнитного поля», – говорит Марьенко. Таким образом, они смогли идентифицировать признаки как спин-орбиты, так и взаимного отталкивания из-за зарядов электронов.

Таким образом, эта высококачественная материальная система представляет собой отличный ресурс для проверки теоретических предсказаний и открывает путь к развитию спинтронных явлений в режимах сильной электронной корреляции.