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  • 最新科技:终于实现在二维磁铁中,观察到自旋波,还能切换磁性

    就像大脚怪和尼斯湖怪兽一样,磁系统中的临界“自旋波”还没有被捕拍摄看捉到。与传说中的生物不同,这些高度相关的电子自旋模式的波动确实存在,但它们太随机和动荡,无法实时看到。康奈尔大学一个研究团队开发了一种新的成像技术,这种技术足够快速和灵敏,可以观察到二维磁铁中这些难以捉摸的临界波动。这种实时成像使研究人员可以通过一种“被动”机制来控制波动和切换磁性。

    最新科技:终于实现在二维磁铁中,观察到自旋波,还能切换磁性

    这最终可能促使更节能磁存储设备的诞生,其研究成果发表在《自然材料》期刊上。研究的联合资深作者是文理学院物理学副教授麦健辉(音译)和工程学院应用与工程物理学教授单杰(音译),这两位研究人员都是康奈尔大学卡夫利纳米科学研究所的成员,他们通过教务长的纳米科学和微系统工程(NEXT Nano)倡议来到康奈尔大学,其共享的实验室专门研究原子薄的量子材料。

    最新科技:终于实现在二维磁铁中,观察到自旋波,还能切换磁性

    当磁化波动发生在热力学临界点附近时,就被认为是“临界”的。热力学临界点是指一种物质转变成新的相态,从而产生各种不寻常现象的时刻。铁就是一个典型的例子,当加热到极端温度时,它就会失去磁性。在这个关键区域或临界点中,波动不再是随机行为,而是变得高度相关。卡夫利研究所博士后研究员、研究的主要作者金晨浩(音译)说:如果你想象所有空气分子都是相关的,它们就像风一样在非常大的长度范围内一起移动。

    实时捕捉波动

    这就是当波动变得相关时会发生的事情,这可能会在一个系统和任何尺度上导致戏剧性的影响,因为这种相关性理论上可以达到无穷大,研究看到的波动是自旋或磁矩的波动。这些临界磁化强度波动很难看到,因为它们是不断变化的,并且发生在非常窄的温度范围内。物理学家研究磁性相变已经有几十年了,这种现象在二维系统中更容易观察到,还有什么比只有一层原子的磁铁更二维的呢?

    最新科技:终于实现在二维磁铁中,观察到自旋波,还能切换磁性

    从单个原子层观察信号仍然存在很多挑战,研究人员使用了单层铁磁绝缘体,溴化铬,作为一个二维系统,它具有更宽的临界区域和更强波动。为了实时看到这些波动,研究人员需要一种同样快速、具有高空间分辨率和宽视野成像能力的方法。该团队能够满足这些标准,方法是使用具有非常纯偏振态的光来探测单层,并记录下清晰的磁矩信号(这是磁铁的强度和方向)当它产生自发波动时。

    最新科技:终于实现在二维磁铁中,观察到自旋波,还能切换磁性

    实时捕捉这一现象的能力,意味着研究人员只需施加一个小电压,让波动在不同状态之间来回切换,就可以控制磁铁中的临界波动。一旦达到目标状态或值,就可以关断电压。不需要磁场来控制波动,因为它们本质上是自己驱动的。这与主动磁状态切换是一个根本不同的概念,因为它是完全被动的,这是一种基于从测量中获得的信息切换,而不是主动驱动系统。所以这是一个新的概念,可以会节省大量能源。

    最新科技:终于实现在二维磁铁中,观察到自旋波,还能切换磁性

    博科园|研究/来自:康奈尔大学

    参考期刊《自然材料》

    DOI: 10.1038/s41563-020-0706-8

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