Международная исследовательская группа во главе с физиком из Калифорнийского университета в Риверсайде определила микроскопический процесс спиновой динамики электронов в наночастицах, который может повлиять на разработку приложений в медицине, квантовых вычислениях и спинтронике.

Магнитные наночастицы и наноустройства имеют несколько применений в медицине, таких как доставка лекарств и МРТ, и информационных технологий . Управление динамикой спинов — движением электронных спинов — является ключом к повышению производительности таких приложений на основе наномагнитов.

«Эта работа способствует нашему пониманию спиновой динамики в наномагнетиках», — сказал Игорь Барсуков, доцент кафедры физики и астрономии и ведущий автор исследования, появившегося сегодня в журнале Science Advances .

Спины электронов, которые прецессируют как вращающиеся вершины, связаны друг с другом. Когда один спин начинает прецессировать, прецессия распространяется на соседние спины, что вызывает движение волны. Спиновые волны, которые, таким образом, являются коллективным возбуждением спинов, ведут себя в наноразмерных магнитах иначе, чем в больших или протяженных магнитах. В наномагнитах спиновые волны ограничены размером магнита, обычно около 50 нанометров, и поэтому представляют собой необычные явления.

В частности, одна спиновая волна может трансформироваться в другую посредством процесса, называемого «рассеянием трех магнонов», причем магнон является квантовой единицей спиновой волны. В наномагнетиках этот процесс резонансно усиливается, то есть он усиливается для определенных магнитных полей.

В сотрудничестве с исследователями из UC Irvine и Western Digital в Сан-Хосе, а также коллегами-теоретиками в Украине и Чили Барсуков продемонстрировал, как рассеяние на трех магнонах и, следовательно, размеры наномагнитов определяют, как эти магниты реагируют на спиновые токи. Это развитие может привести к сдвигам парадигмы.

«Spintronics прокладывает путь к более быстрым и энергоэффективным информационным технологиям», — сказал Барсуков. «Для такой технологии наномагниты являются строительными блоками , которые должны контролироваться спиновыми токами».

Барсуков объяснил, что, несмотря на его технологическую важность, фундаментальное понимание рассеяния энергии в наномагнитах было неуловимым. Работа исследовательской группы дает представление о принципах рассеивания энергии в наномагнитах и ​​может помочь инженерам, которые работают в области спинтроники и информационных технологий, создавать более совершенные устройства.

«Микроскопические процессы, исследуемые в нашем исследовании, могут также иметь значение в контексте квантовых вычислений, когда исследователи в настоящее время пытаются обратиться к отдельным магнонам», — сказал Барсуков. «Наша работа может потенциально повлиять на несколько областей исследований».