Små magneter afslører store hemmeligheder

Et internationalt forskerhold ledet af en fysiker ved University of California, Riverside, har identificeret en mikroskopisk proces af elektronspin-dynamik i nanopartikler, der kan påvirke design af applikationer i medicin, kvanteberegning, og spintronik.

Magnetiske nanopartikler og nanoenheder har adskillige anvendelser inden for medicin - såsom medicinafgivelse og MRI - og informationsteknologi. Styring af spindynamik - bevægelsen af ​​elektronspin - er nøglen til at forbedre ydeevnen af ​​sådanne nanomagnetbaserede applikationer.

"Dette arbejde fremmer vores forståelse af spindynamik i nanomagneter, " sagde Igor Barsukov, en adjunkt ved Institut for Fysik og Astronomi og hovedforfatter af undersøgelsen, der i dag vises i Videnskabens fremskridt .

Elektronspin, som præcesserer som snurretoppe, er knyttet til hinanden. Når et spin begynder at presse, præcessionen forplanter sig til nærliggende spins, som sætter en bølge i gang. Spin bølger, som således er kollektive ophidselser af spins, opfører sig anderledes i nanoskalamagneter, end de gør i store eller udvidede magneter. I nanomagneter, spin-bølgerne er begrænset af størrelsen af ​​magneten, typisk omkring 50 nanometer, og præsenterer derfor usædvanlige fænomener.

I særdeleshed, en spin-bølge kan transformeres til en anden gennem en proces kaldet "tre magnon-spredning, "en magnon er en kvanteenhed af en spin-bølge. I nanomagneter, denne proces er resonant forbedret, hvilket betyder, at det forstærkes til specifikke magnetiske felter.

I samarbejde med forskere ved UC Irvine og Western Digital i San Jose, samt teorikolleger i Ukraine og Chile, Barsukov demonstrerede, hvordan tre magnon-spredning, og dermed dimensionerne af nanomagneter, bestemmer, hvordan disse magneter reagerer på spinstrømme. Denne udvikling kan føre til paradigmeskiftende fremskridt.

"Spintronics er førende for hurtigere og energieffektiv informationsteknologi, " sagde Barsukov. "For sådan teknologi, nanomagneter er byggestenene, som skal styres af spinstrømme."

Barsukov forklarede, at på trods af dens teknologiske betydning, en grundlæggende forståelse af energidissipation i nanomagneter har været uhåndgribelig. Forskerholdets arbejde giver indsigt i principperne for energispredning i nanomagneter og kan gøre det muligt for ingeniører, der arbejder med spintronik og informationsteknologi, at bygge bedre enheder.

"Mikroskopiske processer undersøgt i vores undersøgelse kan også være af betydning i forbindelse med kvanteberegning, hvor forskere i øjeblikket forsøger at adressere individuelle magnoner, " sagde Barsukov. "Vores arbejde kan potentielt påvirke flere forskningsområder."