由加州大學(xué)河濱分校的一位物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組，已經(jīng)確定了納米顆粒中電子自旋動(dòng)力學(xué)的微觀過程，這可能會(huì)影響醫(yī)學(xué)、量子計(jì)算和自旋電子學(xué)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。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(shù)方面有幾個(gè)應(yīng)用。

控制自旋動(dòng)力學(xué)（電子自旋的運(yùn)動(dòng)）是提高這種基于納米磁鐵應(yīng)用程序性能的關(guān)鍵。物理和天文學(xué)系助理教授、在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上這項(xiàng)研究的主要作者Igor Barsukov說：

這項(xiàng)工作推進(jìn)了我們對(duì)納米磁鐵中自旋動(dòng)力學(xué)的理解。電子自旋，就像旋轉(zhuǎn)的陀螺一樣，是相互聯(lián)系的，當(dāng)一個(gè)自旋開始進(jìn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)動(dòng)傳播到相鄰的自旋，從而設(shè)置一個(gè)波。因此，自旋波是自旋的集體激發(fā)，在納米磁鐵中的表現(xiàn)與在大磁鐵或延伸磁鐵中的表現(xiàn)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(xiàn)了不尋常的現(xiàn)象。特別地，一個(gè)自旋波可以通過稱為“三磁振子散射”的過程轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)，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(qiáng)，這意味著它被放大到特定的磁場(chǎng)中。與加州大學(xué)歐文分校和圣何塞西部數(shù)據(jù)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(gè)磁振子散射，而納米磁鐵的大小，決定了這些磁體如何對(duì)自旋電流做出響應(yīng)，這種發(fā)展可能導(dǎo)致范式轉(zhuǎn)變的進(jìn)步。自旋電子正在引領(lǐng)更快、更節(jié)能的信息技術(shù)，對(duì)于這樣的技術(shù)，納米磁鐵是構(gòu)建塊，需要由自旋電流控制。盡管在技術(shù)上很重要，但對(duì)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(duì)納米磁網(wǎng)能量耗散原理的洞察，并使從事自旋電子學(xué)和信息技術(shù)工作的工程師能夠制造出更好的設(shè)備。在研究中探索的微觀過程在量子計(jì)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(gè)的磁子問題，而本研究可能會(huì)對(duì)多個(gè)研究領(lǐng)域產(chǎn)生潛在影響。磁阻尼是基于磁性納米顆粒新興技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，例如自旋力矩記憶和高分辨率生物磁性成像。盡管它很重要，但對(duì)納米鐵磁體中磁耗散的理解仍然難以理解，并且阻尼經(jīng)常被視為一個(gè)唯象常數(shù)。

本研究報(bào)告了一種大頻率相關(guān)非線性阻尼的發(fā)現(xiàn)，它強(qiáng)烈地改變了納米鐵磁體對(duì)自旋力矩和微波磁場(chǎng)的響應(yīng)。這種阻尼機(jī)制源于三磁振子散射，納米磁鐵中磁子的幾何限制強(qiáng)烈增強(qiáng)了三磁振子散射。研究證明，巨大的非線性阻尼可以逆轉(zhuǎn)自旋力矩對(duì)納米磁鐵的影響，導(dǎo)致反阻尼力矩對(duì)電流誘導(dǎo)的阻尼的額外增強(qiáng)。研究也促進(jìn)了對(duì)納米鐵磁體和自旋力矩器件中磁動(dòng)力學(xué)的理解。

博科園｜研究/來自：加州大學(xué)河濱分校

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aAV6943

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