Det digitala samhället växer snabbt, och energiförbrukningen för att lagra och hantera all information ökar kraftigt. Forskare letar därför efter nya sätt att förbättra elektroniken så att den blir både energisnålare och miljövänligare. I ett svenskt forskningsprojekt undersöks ett lovande område som kallas orbitalbaserad elektronik.
Projektanslag 2022
Harnessing orbital angular momentum for novel orbital electronics
Huvudsökande:
Peter Oppeneer, professor i fysik
Medsökande:
Uppsala universitet
Mahmoud Abdel-Hafiez
Venkata Kamalakar Mutta
Jan Rusz
Göteborgs universitet
Johan Åkerman
Lärosäte:
Uppsala universitet
Beviljat anslag:
36 100 000 kronor under fem år
I dag används elektronens snurrande rörelse, kallad spinn, som informationsbärare, till exempel som magnetiska läshuvuden i hårddiskar och magnetiska minnen i datorer. Men nu undersöker forskare möjligheten att använda en annan egenskap hos elektronen, kallad orbitalmoment, som informationsbärare istället, berättar Peter Oppeneer, som är professor i fysik vid Uppsala universitet.
– På sikt skulle vår grundläggande forskning kunna leda fram till en teknik som kan revolutionera elektroniken med mycket mer hållbara material och energieffektiva komponenter.
Oppeneer leder ett projekt finansierat av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse som inkluderar fem olika forskargrupper. Tanken är att sammanföra såväl teoretisk som experimentell kompetens för att utforska detta nya område som än så länge saknar ett etablerat namn på svenska.
– Allt är fortfarande så nytt att terminologin bara finns på engelska, men vi kallar det orbitalbaserad elektronik eller orbitronik på svenska.
Orbitala rörelsen hos elektroner
Orbitalbaserad elektronik syftar till att utnyttja den orbitala rörelsen hos elektroner för att överföra och kontrollera information, i stället för att enbart använda spinnmomentet eller laddningen hos elektronerna.
För en bättre förståelse kan man behöva påminna sig om elektronens beteende.
Elektroner kretsar runt atomkärnan i energinivåer som kallas för elektronskal eller orbitaler. Elektronens egen snurrande rörelse kallas spinn och ger upphov till magnetiska egenskaper. Men forskarna intresserar sig nu för orbitalmomentet, som är kopplat till elektronens rörelse runt kärnan.
Via en yttre påverkan kan man åstadkomma en förändring i elektronens orbitala rörelse, till exempel genom att applicera en elektrisk ström eller ett magnetiskt fält på en elektronisk komponent. Då uppstår orbitala strömmar, som i sin tur skulle kunna användas för att påverka och kontrollera magnetiska egenskaper i elektroniska komponenter och minnen.
– Här finns en väldig potential och tack vare projektanslaget från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse kan vi ta ett samlat grepp om dessa frågor, säger Peter Oppeneer.
Nytt forskningsfält
Forskningen är i sin linda och utöver de svenska forskarna finns än så länge bara några få grupper i världen som arbetar inom fältet.
Ett teoretiskt genombrott kom 2018 då en forskargrupp i Sydkorea publicerade en studie som fick stor uppmärksamhet. Forskarna utgick från den så kallade spinn-Hall-effekten, som dagens spinntronik bygger på. Denna effekt uppnås genom att man konverterar en laddningsström till en spinnström som sedan kan användas för att styra magnetiska minnen.
– Men forskarna i Sydkorea visade på något mycket spännande, att den så kallade orbitala Hall-effekten är två storleksordningar större än spinn-Hall-effekten, säger Peter Oppeneer.
– Och en kort tid därefter visade min forskargrupp att mycket stora orbitala effekter uppstår där ett material saknar inversionssymmetri, till exempel på gränsytan mellan två metallskikt. I teorin tyder det på att vi skulle kunna utnyttja kraftfulla orbitala effekter i innovativa orbitalkomponenter.
Oppeneer och hans kollegor arbetar nu vidare med teoribygget, och inom projektet samarbetar de med forskare som utvecklar experimentella metoder för att undersöka och bekräfta de teoretiska förutsägelserna.
Kartlägger nya material
I projektet ingår en kartläggning av nya material och metoder för att skapa och styra orbitala strömmar. Forskarna undersöker bland annat grafen, ett material som är extremt tunt och ändå hundratals gånger starkare än stål. Grafen leder elektricitet bra och har flera andra attraktiva egenskaper för framtida produkter.
– En drömupptäckt vore om vi kan bevisa att orbitalbaserad transport fungerar i tvådimensionella material som grafen, säger Peter Oppeneer.
En svårighet är att ta nästa steg till att bygga orbitala komponenter, men även detta ingår som en del av projektet genom Johan Åkermans forskargrupp i Göteborg.
– Det är en utmaning att inte bara kunna påvisa orbitala effekter, utan också att mer praktiskt visa hur vi ska dra nytta av effekterna. Man måste veta precis hur man ska bygga upp en komponent för att uppnå den stora effekten, säger Peter Oppeneer.
Om forskningen blir framgångsrik kan den i framtiden bana väg för ny och ”grönare” elektronik. Komponenter baserade på orbitronik kan bli mycket energieffektivare, men det är inte den enda fördelen. Dagens spinntronik är beroende av dyra och miljöfarliga tungmetaller och mineraler som platina, volfram eller tantal. Användningen av orbitala strömmar öppnar för helt andra material.
– Vi skulle kunna använda en bredare klass av material, som är både lättare, billigare och miljövänligare, och göra oss mindre beroende av så kallade konfliktmineraler.
Peter Oppeneer är hoppfull.
– Ett långsiktigt mål med vårt projekt är att vi ska ta fram en prototyp som visar att orbitalbaserad elektronik är bättre än det vi kan uppnå inom dagens spinntronik.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
