小磁鐵揭示的大秘密，已確定電子自旋動力學的微觀過程！
由加州大學河濱分校的一位物理學家領導的一個國際研究小組，已經確定了納米顆粒中電子自旋動力學的微觀過程，這可能會影響醫學、量子計算和自旋電子學應用程序的設計。磁性納米顆粒和納米器件在藥物輸送和磁共振成像（MRI）以及信息技術方面有幾個應用。控制自旋動力學（電子自旋的運動）是提高這種基於納米磁鐵應用程序性能的關鍵。物理和天文學系助理教授、在發表在《科學進展》期刊上這項研究的主要作者Igor Barsukov說：
這項工作推進了我們對納米磁鐵中自旋動力學的理解。電子自旋，就像旋轉的陀螺一樣，是相互聯繫的，當一個自旋開始進動時，進動傳播到相鄰的自旋，從而設置一個波。因此，自旋波是自旋的集體激發，在納米磁鐵中的表現與在大磁鐵或延伸磁鐵中的表現不同。在納米磁鐵中，自旋波受到磁體大小的限制，通常在50納米左右，因此出現了不尋常的現象。特別地，一個自旋波可以通過稱為「三磁振子散射」的過程轉變為另一個，磁振子是自旋波的量子單位。
在納米磁鐵中，這一過程得到了共振增強，這意味著它被放大到特定的磁場中。與加州大學歐文分校和聖何塞西部數據的研究人員以及烏克蘭和智利的理論同事合作，Barsukov演示了三個磁振子散射，而納米磁鐵的大小，決定了這些磁體如何對自旋電流做出響應，這種發展可能導致範式轉變的進步。自旋電子正在引領更快、更節能的信息技術，對於這樣的技術，納米磁鐵是構建塊，需要由自旋電流控制。儘管在技術上很重要，但對納米磁鐵中能量耗散的基本理解一直難以捉摸。
研究工作提供了對納米磁網能量耗散原理的洞察，並使從事自旋電子學和信息技術工作的工程師能夠製造出更好的設備。在研究中探索的微觀過程在量子計算背景下也可能是有意義的，研究人員目前正試圖解決單個的磁子問題，而本研究可能會對多個研究領域產生潛在影響。磁阻尼是基於磁性納米顆粒新興技術的關鍵指標，例如自旋力矩記憶和高解析度生物磁性成像。儘管它很重要，但對納米鐵磁體中磁耗散的理解仍然難以理解，並且阻尼經常被視為一個唯象常數。
本研究報告了一種大頻率相關非線性阻尼的發現，它強烈地改變了納米鐵磁體對自旋力矩和微波磁場的響應。這種阻尼機制源於三磁振子散射，納米磁鐵中磁子的幾何限制強烈增強了三磁振子散射。研究證明，巨大的非線性阻尼可以逆轉自旋力矩對納米磁鐵的影響，導致反阻尼力矩對電流誘導的阻尼的額外增強。研究也促進了對納米鐵磁體和自旋力矩器件中磁動力學的理解。
博科園｜研究/來自：加州大學河濱分校
參考期刊《科學進展》
DOI: 10.1126/sciadv.aav6943
博科園｜科學、科技、科研、科普
關注【博科園】看更多大美宇宙科學
