Undersøg egenskaberne af magnetiske kvasi-partikler

Forskere har for første gang målt en grundlæggende egenskab ved magneter kaldet magnonpolarisering - og i processen, gør fremskridt med at bygge lavenergiapparater.

Eksistensen af ​​magnonpolarisering har været en teoretisk idé i fysik i næsten 100 år, men ingen har bevist dens eksistens.

Forskere ved University of Leeds og Tohoku University i Japan forsøgte at vise, at det eksisterer ved at måle det. Deres resultater er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Magnoner er kvasi-partikler inde i magnetiske materialer, som er i en kontinuerlig proces med skabelse og ødelæggelse. De er polariserede, hvilket gør det muligt at skelne dem med eller mod uret (cirkulær polarisering), op eller ned - og til venstre eller højre (lineær polarisering).

Der er intens interesse for polarisationsegenskaberne for magnoner, fordi fysikere mener, at det kan udnyttes til at transportere information i lavenergi elektriske apparater, et studieretning kaldet spintronics.

Forskerne havde til formål at måle magnonpolarisering i en af ​​de mest anvendte magneter i spintronikforskning, sammensatte yttrium jern granat. I mange magneter, der findes kun magnoner mod uret. Men i yttrium jern granat, både mod uret og med uret blev forudsagt polariserede magnoner, hvilket gør det til et særligt spændende materiale at måle.

Teamet satte sig for at foretage denne måling ved hjælp af polariseret neutronspredning. Dette indebærer at forberede neutroner i en bestemt kvante -spin -tilstand ('op' eller 'ned') og skyde dem mod en magnet i en fokuseret stråle.

I forsøget, de fleste neutroner passerede lige igennem magneten, slet ikke interagerer - hvilket gør målinger særligt vanskelige. Men, et lille antal neutroner kolliderede med magnoner og spredte ud af magneten i alle retninger. En detektor målte neutronerne, da de fløj ud af prøven. Ved at analysere placeringen, neutronernes energi og slutspindtilstand, magnon -egenskaberne blev afsløret.

Vigtigt i dette arbejde, ved at sammenligne spin -tilstanden for neutronerne før og efter spredningen, magneten med uret eller mod uret blev bestemt.

Dr. Joseph Barker, fra School of Physics and Astronom i Leeds, sagde:"I fysik, teorier forbliver som forudsigelser, indtil eksperimentelle målinger bekræfter, om de er korrekte eller ej. Et berømt eksempel er søgningen efter Higgs Boson, men der er mange uprøvede teorier på tværs af videnskaberne.

"Magnonpolarisering er for nylig blevet et vigtigt emne inden for spintronics, så det var det perfekte tidspunkt at prøve at måle det og kontrollere, at det eksisterer."

Dr. Barker tilføjede:"Eksperimenterne og analyserne var vanskelige og komplekse. Faktisk var det tog to forsøg, en gang i USA og derefter i Frankrig, for at perfektionere den eksperimentelle metode.

"Vi var også nødt til at oprette en præcis computermodel for at sikre, at vi forstod, hvad vi så korrekt, fordi neutronspredningsmålingerne stammer fra en række fysiske processer, der ikke kan vikles ind i individuelle dele."

Forskere kan nu fokusere deres undersøgelser på, hvordan man udnytter polarisering af magnoner til at lave nye typer spintronic -enheder til lavenergiteknologi.

Forskningen blev finansieret af The Royal Society, Japan Society for Promotion of Science Grant-in-Aid for Scientific Research, JST ERATO, Tohoku University GP-Spin Program, US Department of Energy og US-Japan Cooperative Program om neutronspredning.