Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft een microscopisch proces van elektronenspindynamica in nanodeeltjes geïdentificeerd dat van invloed kan zijn op het ontwerp van toepassingen in de geneeskunde, kwantumberekening, en spintronica.

Magnetische nanodeeltjes en nano-apparaten hebben verschillende toepassingen in de geneeskunde, zoals medicijnafgifte en MRI, en informatietechnologie. Het beheersen van spindynamiek - de beweging van elektronenspins - is de sleutel tot het verbeteren van de prestaties van dergelijke op nanomagneten gebaseerde toepassingen.

"Dit werk bevordert ons begrip van spindynamiek in nanomagneten, " zei Igor Barsukov, een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde en hoofdauteur van de studie die vandaag verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .

Elektronen draaien, die preces als tollen, zijn aan elkaar gekoppeld. Wanneer een spin begint te presenteren, de precessie plant zich voort naar naburige spins, die een golf op gang brengt. Spin golven, die dus collectieve excitaties van spins zijn, gedragen zich anders in magneten op nanoschaal dan in grote of verlengde magneten. Bij nanomagneten, de spingolven worden beperkt door de grootte van de magneet, meestal rond de 50 nanometer, en daarom ongewone verschijnselen vertonen.

Vooral, de ene spingolf kan in een andere transformeren via een proces dat "drie magnonverstrooiing, " een magnon is een kwantumeenheid van een spingolf. In nanomagneten, dit proces wordt resonant versterkt, wat betekent dat het wordt versterkt voor specifieke magnetische velden.

In samenwerking met onderzoekers van UC Irvine en Western Digital in San Jose, evenals theorie-collega's in Oekraïne en Chili, Barsukov demonstreerde hoe drie magnonverstrooiing, en dus de afmetingen van nanomagneten, bepaalt hoe deze magneten reageren op spinstromen. Deze ontwikkeling kan leiden tot paradigmaverschuivende ontwikkelingen.

"Spintronics loopt voorop voor snellere en energiezuinige informatietechnologie, " zei Barsukov. "Voor dergelijke technologie, nanomagneten zijn de bouwstenen, die moeten worden gecontroleerd door spinstromen."

Barsukov legde uit dat ondanks het technologische belang, een fundamenteel begrip van energiedissipatie in nanomagneten was ongrijpbaar. Het werk van het onderzoeksteam biedt inzicht in de principes van energiedissipatie in nanomagneten en zou ingenieurs die aan spintronica en informatietechnologie werken in staat kunnen stellen betere apparaten te bouwen.

"Microscopische processen die in onze studie zijn onderzocht, kunnen ook van belang zijn in de context van kwantumberekening waar onderzoekers momenteel proberen individuele magnonen aan te pakken, " Barsukov zei. "Ons werk kan mogelijk invloed hebben op meerdere onderzoeksgebieden."