Електронните устройства като телефони, таблети и лаптопи вече допринасят за световния проблем с електронните отпадъци. Докато експертите работят за превръщането на тези устройства в по-екологични, едно ново постижение на фундаменталното ниво на електрона може да осигури така необходимото решение. Идва ред на „Орбитрониката“.
Изследователи от Института „Паул Шерер“ (PSI) в Швейцария и институтите „Макс Планк“ в Германия са открили начин да използват свойство на електроните, наречено „орбитален ъглов момент“, което може да отвори вратата към изцяло нов вид технологии, наречени „орбитроника“. Този резултат, постигнат с помощта на експерименти, проведени в Swiss Light Source (SLS), и публикуван в Nature Physics, може да помогне електронните устройства на бъдещето да станат по-екологични.
Проблемите с електронните отпадъци
Електронните отпадъци се превърнаха в наболял глобален проблем, тъй като бързото нарастване на употребата на електронни устройства доведе до безпрецедентни количества изхвърлени уреди. По данни на Световната здравна организация (СЗО) годишно се генерират милиони тонове електронни отпадъци, голяма част от които съдържат опасни материали като олово, живак и огнезащитни вещества. Тези вещества представляват сериозен риск за здравето и околната среда, когато се обработват неправилно, като често попадат в почвата и водните източници или отделят токсични изпарения при изгаряне.
През 2019 г. в световен мащаб са произведени приблизително 53,6 милиона метрични тона електронни отпадъци - число, което според прогнозите само ще нараства, тъй като технологиите продължават да се развиват, а потребителското търсене на нови устройства остава високо.
Какво е орбитроника?
Настоящата електроника разчита на традиционни методи за използване на електронния заряд за съхраняване и прехвърляне на информация, което обикновено изисква чести обновявания и подмяна, допринасяйки за образуването на електронни отпадъци. Използването на заряд обаче не е най-енергийно ефективният метод и учените търсят алтернативи, които са по-малко вредни за околната среда.
Една от обещаващите възможности е спинтрониката - технология, която използва друго свойство на електроните, наречено „спин“. Спинът дава на електроните уникална идентичност, която изследователите могат да използват за кодиране на информация.
Някои изследователи обаче смятат, че може да има още по-добро решение: орбитрониката. При този подход „орбиталният ъглов момент“ ( OAM - orbital angular momentum) на електроните се използва за предаване на информация. Електроните се движат около ядрото на атома по определени пътища или „орбити“ и това движение може да се използва в орбитрониката за съхраняване и обработка на данни по начин, който може да бъде много по-ефективен от сегашните електронни устройства.
Напредък в орбитрониката
Докато учените изследват конвенционални материали като титан за орбитроника, напоследък вниманието се насочва към нов клас материали, известни като „хирални топологични полуметали“. Тези материали имат интересна, усукана атомна структура, която естествено ги прави способни да създават модели в орбиталното движение на електроните, което е идеално за орбитрониката. Тези специални материали имат подобна на ДНК спирала в молекулярния си състав, стимулираща движение, което се съгласува по-добре с орбитрониката.
„Интересното при тези материали е, че не е необходимо да се добавят допълнителни усилия или енергия, за да се създадат моделите на орбитално движение - те вече са вградени в структурата им“, заявява в скорошно изявление Михаел Шулер (Michael Schüler), един от водещите изследователи в проучването от PSI и Университета във Фрибург.
В тези нови материали учените са търсили уникална характеристика, наречена „монопол на орбиталния ъглов момент“, при който движението е равномерно по цялата орбита. Това равномерно движение е от значение, тъй като означава, че информацията потенциално може да тече във всяка посока в рамките на устройството, което го прави много универсално за бъдещите технологии. Тези монополи обаче са само теория. Никой не ги беше виждал в експерименти - досега.
Откриване на монополите
За да проследи тези монополи, изследователският екип използва сложна техника, наречена кръгов дихроизъм в ъглово разрешена фотоемисионна спектроскопия (CD-ARPES). Този метод използва специален вид светлина (кръгово поляризирани рентгенови лъчи), която взаимодейства с даден материал, като изхвърля електроните и позволява на учените да изследват тяхното поведение.
Макар че тази техника съществува от доста време, между показаното от експериментите и теоретичните прогнози се е наблюдавало разминаване.
„Естественото предположение бе, че ако използвате кръгово поляризирана светлина, измервате директно орбиталното движение на електроните“, обяснява Шюлер. „Но нашето изследване показва, че това не е толкова просто. Данните са по-сложни, отколкото първоначално смятахме."
Екипът предприема допълнителна стъпка в експериментите си, като променя енергията на използваната светлина. Те откриват, че сигналът не просто отразява пряко орбиталното движение. Вместо това той се е въртял около монополите по предсказуем модел. Това най-накрая предоставя доказателствата, от които се нуждаят, за да потвърдят съществуването на тези монополи.
Чрез отключването на този скрит потенциал учените проправят пътя към бъдеще, в което нашите електронни устройства са не само по-мощни, но и не толкова вредни за нашата планета.
Справка: Controllable orbital angular momentum monopoles in chiral topological semimetals, Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02655-1
Източник: Forget Electronics: Here Come „Orbitronics“, The Debrief
