Kæmpe Magnon-spinbølgeledningsevne i ultratynde isolatorer overrasker forskere

Når du gør ledende ledninger tyndere, stiger deres elektriske modstand. Dette er Ohms lov, og det er generelt rigtigt. En vigtig undtagelse er ved meget lave temperaturer, hvor elektronernes mobilitet øges, når ledninger bliver så tynde, at de reelt er todimensionelle. Nu har fysikere fra University of Groningen sammen med kolleger ved Brest University observeret, at noget lignende sker med ledningsevnen af ​​magnoner, spinbølger, der bevæger sig gennem magnetiske isolatorer, ligesom en bølge gennem et stadion. Stigningen i ledningsevne var spektakulær og fandt sted ved stuetemperatur. Denne observation blev offentliggjort i Nature Materials den 22. september.

Elektroner har et magnetisk moment, kaldet spin, som har en værdi på "op" eller "ned". Det er muligt at akkumulere én type spin ved at sende en strøm gennem et tungmetal, såsom platin. Når disse spins båret af elektroner støder på den magnetiske isolator YIG (yttriumjerngranat), kan elektronerne ikke passere igennem. Men ved grænsefladen til YIG sendes spin-excitationen videre:magnoner (som også kan bære spin) exciteres. Disse spin-bølger passerer gennem den magnetiske isolator som en bølge på et stadion:ingen af ​​elektronerne ("tilskuerne") bevæger sig fra deres plads, men de videregiver ikke desto mindre spin-excitationen. Ved detektorelektroden sker den omvendte proces:Magnonerne laver elektroniske spins, som derefter producerer en elektrisk spænding, som kan måles, forklarer Bart van Wees, professor i anvendt fysik ved Universitetet i Groningen og specialist i områder som spintronik.

Motiveret af stigningen i elektronmobilitet i 2D-materialer besluttede hans gruppe at teste magnon-transport i ultratynde (nanometer) YIG-film. "Disse film er ikke strengt taget 2D-materialer, men når de er tynde nok, kan magnonerne kun bevæge sig i to dimensioner," forklarer Van Wees. Målingerne, udført af ph.d. studerende Xiangyang Wei, producerede et overraskende resultat:Spin-konduktiviteten steg med tre størrelsesordener sammenlignet med YIG-bulkmateriale.

Dramatiske effekter

Forskere bruger ikke termer som "gigant" let, men i dette tilfælde var det fuldt ud berettiget, siger Van Wees. "Vi lavede materialet 100 gange tyndere, og magnonledningsevnen gik op 1.000 gange. Og det skete ikke ved lave temperaturer, som det kræves for høj elektronmobilitet i 2D-ledere, men ved stuetemperatur." Dette resultat var uventet og indtil videre uforklarligt. Van Wees:"I vores papir giver vi en foreløbig teoretisk forklaring, som er baseret på overgangen fra 3D til 2D magnontransport. Men det kan ikke fuldt ud forklare de dramatiske effekter, vi observerer."

Så hvad kunne man gøre med denne gigantiske magnonledning? "Vi forstår det ikke," siger Van Wees. "Derfor er vores nuværende påstande begrænsede. Dette muliggør forskning, der kan pege på en ny, endnu uopdaget fysik. I det lange løb kan dette også producere nye enheder." Første forfatter Xiangyang Wei tilføjer:"Fordi der ikke er nogen elektrontransport involveret, producerer magnonbølgerne ingen konventionel varmeafledning. Og varmeproduktion er et stort problem i stadig mindre elektroniske enheder."

Superledning

Og da magnoner er bosoner (dvs. de har heltals spin-kvanteværdier), kan det være muligt at skabe en sammenhængende tilstand, der kan sammenlignes med et Bose-Einstein-kondensat. Van Wees:"Dette kan endda producere spin superledning." Alt dette er for fremtiden. For nu er den gigantiske magnon-konduktans i YIG veldokumenteret. "Målingerne er klare. Vi ser frem til et godt samarbejde mellem teoretiske fysikere og eksperimenter." + Udforsk yderligere

Praktisk spin-bølge transistor et skridt nærmere