Elektronenspins zijn fundamentele eigenschappen van elektronen die hun magnetisch gedrag bepalen. In materialen zoals nikkeloxide interageren de elektronenspins met het kristalrooster, waardoor een verscheidenheid aan magnetische verschijnselen ontstaat. Begrijpen hoe deze interacties plaatsvinden is cruciaal voor het ontwerpen van nieuwe materialen voor magnetische gegevensopslag en andere toepassingen.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy een doorbraak bereikt in het begrijpen hoe elektronenspins interageren met het kristalrooster in nikkeloxide. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, vormen een basis voor het begrijpen en ontwerpen van nieuwe materialen voor magnetische gegevensopslag.

"Onze studie onthult de microscopische details van hoe elektronenspins interageren met het rooster in nikkeloxide", zegt hoofdauteur Yimei Zhu, een postdoctoraal onderzoeker bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Dit begrip is essentieel voor het rationeel ontwerp van nieuwe materialen met gewenste magnetische eigenschappen."

De onderzoekers gebruikten een combinatie van experimentele technieken, waaronder neutronenverstrooiing en röntgenabsorptiespectroscopie, om de magnetische excitaties in nikkeloxide te bestuderen. Ze ontdekten dat de elektronenspins op twee verschillende manieren met het rooster interageren:via de uitwisselingsinteractie en de spin-baan-interactie.

De uitwisselingsinteractie is een magnetische interactie tussen twee elektronen die voortvloeit uit het Pauli-uitsluitingsprincipe. De spin-baan-interactie is een relativistisch effect dat voortkomt uit de interactie tussen de spin van het elektron en zijn beweging.

De onderzoekers ontdekten dat de uitwisselingsinteractie de dominante interactie is in nikkeloxide. De spin-baan-interactie speelt echter ook een belangrijke rol bij het bepalen van de magnetische eigenschappen van het materiaal.

"Onze studie biedt een uitgebreid inzicht in hoe elektronenspins interageren met het rooster in nikkeloxide", zegt senior auteur Junjie Zhang, stafwetenschapper bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Dit inzicht zal ons in staat stellen nieuwe materialen te ontwerpen met op maat gemaakte magnetische eigenschappen voor een breed scala aan toepassingen, zoals magnetische gegevensopslag, spintronica en kwantumcomputers."

Naast Zhu en Zhang zijn andere onderzoekers die bij het onderzoek betrokken zijn:Wenbin Wang, Xiangli Peng en Xiao Zhang van Berkeley Lab; en Robert J. Cava van de Universiteit van Princeton.

Dit onderzoek werd ondersteund door het DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division, onder contractnummer DE-AC02-05CH11231. Toegang tot de geavanceerde lichtbronbundellijn 12.3.2 werd verleend door het DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. Experimenten met neutronenverstrooiing werden uitgevoerd bij de Spallation Neutron Source (SNS), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit beheerd door Oak Ridge National Laboratory.