Onderzoekers van UC Riverside gebruikten een onconventionele benadering om de sterkte van de elektronenspin-interacties met de optische fononen in antiferromagnetische nikkeloxide (NiO) kristallen te bepalen.

NiO is een veelbelovend materiaal voor spintronische apparaten, waar signalen niet door elektrische stromen maar door spingolven worden verzonden, bestaande uit voortplantende storingen in de ordening van magnetische materialen, op een domino-achtige manier. Het interdisciplinaire team van onderzoekers, onder leiding van Alexander Balandin, vooraanstaand hoogleraar elektrotechniek en computertechniek, gebruikte ultraviolette Raman-spectroscopie om te onderzoeken hoe spinvolgorde de energieën van fononen in deze materialen beïnvloedt. Fononen zijn quanta van trillingen van ionen, die het kristalrooster van materialen vormen. Fononen kunnen interageren met elektronen en hun spins, leiden tot energieverspilling. Praktische toepassingen van spintronische apparaten in informatieverwerking vereisen nauwkeurige kennis van de sterkte van de elektronenspin-interactie met fononen.

"Ondanks het feit dat nikkeloxide al vele jaren wordt bestudeerd, mysteries bleven, Balandin zei. "Onze resultaten werpen licht op enkele van de al lang bestaande puzzels rond dit materiaal, genieten van ongebruikelijke spin-phonon koppeling."

Het UC Riverside-team omvatte ook Jing Shi, hoogleraar natuurkunde, en Roger Lake, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek, naast leden van hun onderzoeksgroepen, afgestudeerde studenten, en postdoctorale onderzoekers.

"Ons team was in staat om deze taak te volbrengen door Raman-spectroscopie te gebruiken met een ultraviolette laser, in plaats van conventionele lasers met zichtbaar licht. De truc werkte omdat relevante fononpieken te zien zijn met een veel betere resolutie in het spectrum van nikkeloxide onder ultraviolette laserexcitatie, ' voegde Balandin eraan toe.

Het onderzoek naar de spin-fonon interactie zal belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van spintronische apparaten. In tegenstelling tot conventionele elektronische transistors, spintronische apparaten coderen en communiceren informatie, niet met de elektrische stromen, maar eerder met de spinstromen of spingolven. Om deze reden, elektrisch isolerende magnetische materialen, zoals nikkeloxide, kan worden gebruikt voor geheugenopslag en informatieverwerking.

Vermijd elektrische stromen, spintronic-apparaten hebben een potentieel voor ultrasnelle en lage energiedissipatie. Interactie met fononen is een van de energiedissipatiemechanismen in spintronica. De gegevens die door de UCR-onderzoekers zijn gerapporteerd, kunnen helpen bij het optimaliseren van het ontwerp van spintronische apparaten door de fonon-eigenschappen en de manier waarop fononen interageren met elektronenspins te veranderen.

"We hopen dat onze resultaten zullen bijdragen aan een beter begrip van de mechanismen van spingolfinteracties met de kristalroostervibraties, en energieverlieskanalen in nikkeloxide-apparaten, Balandin zei. "De volgende stap is het onderzoek naar de spin-fononinteractie in dunne films en structuren op nanoschaal gemaakt van dit belangrijke antiferromagnetische materiaal."

"Spin-Phonon-koppeling in antiferromagnetisch nikkeloxide" werd gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .