作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 这些气球和圆盘的形状代表一个电子轨道——一个围绕原子核的模糊电子云——在两个不同的方向
科学家希望有一天能够利用轨道方向的变化，因为0和1需要进行计算，并将信息存储在计算机存储器中，这是一个被称为轨道电子的系统
SLAC的一项研究表明，有可能将这些轨道方向从电子自旋模式中分离出来，这是在一类材料中独立控制它们的关键一步，而这类材料是现代信息技术的基石
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 在设计电子设备时，科学家们寻找操纵和控制电子三个基本属性的方法:它们的电荷；它们的自旋状态会产生磁性；以及它们在原子核周围形成的模糊云的形状，原子核被称为轨道
直到现在，电子自旋和轨道一直被认为是一类材料的共同特征，这类材料是现代信息技术的基石；你不可能在不改变另一个的情况下快速改变一个
但是美国能源部SLAC国家加速器实验室的一项研究表明，激光脉冲可以显著改变一类重要材料的自旋状态，同时保持其轨道状态不变
该研究的带头人之一、研究助理申说，研究结果为制造基于“轨道电子”的下一代逻辑和存储器件提供了一条新途径
“我们在这个系统中看到的与过去人们看到的完全相反，”沈说
“这增加了一种可能性，即我们可以分别控制一种材料的自旋和轨道状态，并利用轨道形状的变化来进行计算和在计算机存储器中存储信息
" 由乔舒亚·特纳领导的国际研究小组在本周的《物理评论·快速通讯》上报道了他们的研究结果。乔舒亚·特纳是SLAC的一名科学家，也是斯坦福材料与能源科学研究所的研究员
一种有趣而复杂的材料 研究小组研究的材料是一种叫做NSMO的锰氧化物基量子材料，它有非常薄的晶体层
它已经存在了30年，并被用于通过使用磁场从一种电子自旋状态切换到另一种状态来存储信息的设备中，这种方法被称为自旋电子学
NSMO也被认为是制造未来计算机和基于skyrmions的记忆存储设备的有前途的候选人，skyrmions是由旋转电子的磁场产生的微小粒子状涡流
但是这个材料也非常复杂，日本紧急物质科学研究中心主任德村善纪说，他也参与了这项研究
在SLAC实验中，科学家用激光脉冲撞击一种量子材料(顶部)，以观察这将如何影响由电子自旋方向(黑色箭头)和电子轨道方向(红色气球形状)形成的原子晶格中的锯齿形图案(中间)
他们惊讶地发现，脉冲打乱了自旋模式，而轨道模式保持不变(下图)
这增加了自旋和轨道状态可以被独立控制以制造更快的电子设备的可能性
学分:格雷格·斯图尔特/SLAC国家加速器实验室 “与半导体和其他熟悉的材料不同，NSMO是一种量子材料，其电子以合作或相关的方式运行，而不是像通常那样独立运行，”他说
“这使得很难控制电子行为的一个方面而不影响所有其他方面
" 研究这种材料的一种常见方法是用激光照射它，观察它的电子状态对能量注入的反应
这就是研究小组在这里做的
他们观察了材料对来自SLAC直线加速器相干光源(LCLS)的x光激光脉冲的反应
一个融化了，另一个没有 他们期望看到的是，当他们吸收近红外激光脉冲时，材料中电子自旋和轨道的有序模式会被完全打乱，或者“熔化”
特纳说，但令他们惊讶的是，只有自旋模式融化了，而轨道模式保持不变
他说，自旋和轨道状态之间的正常耦合已经完全被打破，在这种类型的相关材料中，这是一件具有挑战性的事情，以前从未被观察到
德村说:“通常只有微小的光激发应用就能摧毁一切
在这里，他们能够保持对未来设备最重要的电子状态——轨道状态——不受损害
这是轨道电子学和相关电子科学的一个很好的新补充
" 就像电子自旋态在自旋电子学中被转换一样，电子轨道态也可以被转换以提供类似的功能
沈说，理论上，这些轨道电子器件可以比自旋电子器件快1万倍
通过使用太赫兹辐射的短脉冲，而不是今天使用的磁场，可以在两种轨道状态之间切换，他说:“将两者结合起来，可以为未来的应用实现更好的设备性能
“团队正在研究实现这一目标的方法
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