Forskerhold bestemmer, hvordan elektronspin interagerer med krystalgitter i nikkeloxid

Elektronspins er fundamentale egenskaber ved elektroner, der bestemmer deres magnetiske adfærd. I materialer som nikkeloxid interagerer elektronspindene med krystalgitteret, hvilket giver anledning til en række magnetiske fænomener. At forstå, hvordan disse interaktioner opstår, er afgørende for at designe nye materialer til magnetisk datalagring og andre applikationer.

Nu har et team af forskere ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) gjort et gennembrud i forståelsen af, hvordan elektronspin interagerer med krystalgitteret i nikkeloxid. Deres resultater, offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications, danner grundlag for at forstå og designe nye materialer til magnetisk datalagring.

"Vores undersøgelse afslører de mikroskopiske detaljer om, hvordan elektronspin interagerer med gitteret i nikkeloxid," sagde hovedforfatter Yimei Zhu, en postdoc-forsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Denne forståelse er afgørende for det rationelle design af nye materialer med ønskede magnetiske egenskaber."

Forskerne brugte en kombination af eksperimentelle teknikker, herunder neutronspredning og røntgenabsorptionsspektroskopi, til at studere de magnetiske excitationer i nikkeloxid. De fandt ud af, at elektronspindene interagerer med gitteret på to forskellige måder:gennem udvekslingsinteraktionen og spin-kredsløbsinteraktionen.

Udvekslingsvekselvirkningen er en magnetisk vekselvirkning mellem to elektroner, der er et resultat af Pauli-udelukkelsesprincippet. Spin-orbit interaktionen er en relativistisk effekt, der opstår fra interaktionen mellem elektronens spin og dens bevægelse.

Forskerne fandt ud af, at udvekslingsinteraktionen er den dominerende interaktion i nikkeloxid. Spin-kredsløbsinteraktionen spiller dog også en væsentlig rolle i bestemmelsen af ​​materialets magnetiske egenskaber.

"Vores undersøgelse giver en omfattende forståelse af, hvordan elektronspin interagerer med gitteret i nikkeloxid," sagde seniorforfatter Junjie Zhang, en stabsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division. "Denne forståelse vil gøre os i stand til at designe nye materialer med skræddersyede magnetiske egenskaber til en bred vifte af applikationer, såsom magnetisk datalagring, spintronik og kvanteberegning."

Ud over Zhu og Zhang omfatter andre forskere involveret i undersøgelsen:Wenbin Wang, Xiangli Peng og Xiao Zhang fra Berkeley Lab; og Robert J. Cava fra Princeton University.

Denne forskning blev støttet af DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division, under kontrakt nr. DE-AC02-05CH11231. Adgang til Advanced Light Source beamline 12.3.2 blev leveret af DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. Neutronspredningseksperimenter blev udført på Spallation Neutron Source (SNS), en DOE Office of Science brugerfacilitet drevet af Oak Ridge National Laboratory.