Onderzoekers hebben voor het eerst een fundamentele eigenschap van magneten gemeten die magnonpolarisatie wordt genoemd - en in het proces, boeken vooruitgang bij het bouwen van energiezuinige apparaten.

Het bestaan ​​van magnonpolarisatie is al bijna 100 jaar een theoretisch idee in de natuurkunde, maar niemand heeft het bestaan ​​ervan bewezen.

Wetenschappers van de Universiteit van Leeds en de Tohoku Universiteit in Japan probeerden het bestaan ​​ervan aan te tonen door het te meten. Hun bevindingen zijn zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Magnons zijn quasi-deeltjes in magnetische materialen die zich in een continu proces van creatie en vernietiging bevinden. Ze zijn gepolariseerd waardoor ze met de klok mee of tegen de klok in kunnen worden onderscheiden (circulaire polarisatie), omhoog of omlaag - en naar links of rechts (lineaire polarisatie).

Er is intense belangstelling voor de polarisatie-eigenschappen van magnonen omdat natuurkundigen denken dat het kan worden misbruikt voor het transporteren van informatie in energiezuinige elektrische apparaten. een vakgebied genaamd spintronica.

De wetenschappers wilden de magnonpolarisatie meten in een van de meest gebruikte magneten in spintronica-onderzoek, de verbinding yttrium-ijzer-granaat. In veel magneten, alleen tegen de klok in magnons bestaan. Maar in yttrium ijzer granaat, zowel linksom als rechtsom gepolariseerde magnons werden voorspeld, waardoor het een bijzonder spannend materiaal is om te meten.

Het team wilde deze meting doen met behulp van gepolariseerde neutronenverstrooiing. Dit houdt in dat neutronen in een specifieke kwantumspintoestand ('up' of 'down') worden voorbereid en in een gefocusseerde bundel op een magneet worden afgevuurd.

In het experiment, de meeste neutronen gingen dwars door de magneet, helemaal geen interactie, wat metingen bijzonder moeilijk maakt. Maar, een klein aantal van de neutronen botste met magnonen en verspreidde zich uit de magneet in alle richtingen. Een detector mat de neutronen terwijl ze uit het monster vlogen. Door de locatie te analyseren, energie en eindspintoestand van de neutronen, de magnon-eigenschappen werden onthuld.

Cruciaal in dit werk is door de spintoestand van de neutronen voor en na de verstrooiing te vergelijken, de polarisatie met de klok mee of tegen de klok in van de magnonen werd bepaald.

Dr. Joseph Barker, van de School of Physics and Astronom in Leeds, zei:"In de natuurkunde, theorieën blijven als voorspellingen totdat experimentele metingen bevestigen of ze correct zijn of niet. Een bekend voorbeeld is de zoektocht naar het Higgs-boson, maar er zijn veel niet-geteste theorieën in de wetenschappen.

"Magnon-polarisatie is onlangs een belangrijk onderwerp geworden in spintronica, dus het was het perfecte moment om het te proberen en te meten en te verifiëren dat het bestaat."

Dr. Barker voegde toe:"De experimenten en analyse waren moeilijk en complex. het kostte twee pogingen, eenmaal in de Verenigde Staten en vervolgens in Frankrijk, om de experimentele methode te perfectioneren.

"We moesten ook een nauwkeurig computermodel maken om ervoor te zorgen dat we goed begrepen wat we zagen, omdat de neutronenverstrooiingsmetingen afkomstig zijn van een reeks fysieke processen die niet in afzonderlijke delen kunnen worden ontward."

Onderzoekers kunnen hun studies nu richten op het benutten van de polarisatie van magnonen voor het maken van nieuwe soorten spintronische apparaten voor energiezuinige technologie.

Het onderzoek werd gefinancierd door The Royal Society, Japan Society for the Promotion of Science Grant-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek, JST ERATO, Tohoku University GP-Spin-programma, US Department of Energy en het US-Japan Cooperative Program inzake neutronenverstrooiing.