Första mätningarna av spinnmixning i magnetiska material

För första gången har forskare kunnat mäta spinnmixning i ett ferromagnetiskt material. Mätningarna har blivit möjliga tack vare att en av faktorerna i den teoretiska modellen, som tidigare varit försummad, är mer betydelsefull än vad man tidigare trott. Det visar ny forskning, ledd av forskare vid Uppsala universitet.

Vad är ett spinn? Utöver att elektroner har en elektrisk laddning har de också ett magnetiskt moment, ett så kallat spinn. Spinnet kan förenklat beskrivas som mikronivåns motsvarighet till makronivåns stavmagnet, som har en nordpol och en sydpol. Ett viktigt fenomen inom kvantmekaniken är att spinnet kan ha flera olika värden på samma gång, en så kallad spinnmixning, vilket står i tydlig kontrast till den klassiska mekaniken. Man kan jämföra det med tankeexperimentet Schrödingers katt, som är både levande och död samtidigt fram till dess att man undersöker det.

–Spinnmixning är en brygga som gör det möjligt för spinnet att snabbt byta riktning och skulle kunna bli viktig för framtida spinnelektronik. En låg spinnmixning vill man ha när spinnet ska hålla sig oföränderligt, när spinnet används som bärare av information. En hög spinnmixning vill man istället ha om man snabbt vill påverka spinnet, som till exempel vid ultrasnabb avmagnetisering av ett material, säger Ronny Knut, forskare i röntgenfysik vid Uppsala universitet.

Blandningen av olika tillstånd av spinnet i ett material kan uppskattas från beräkningar, men det har hittills inte funnits någon bra experimentell metod för att mäta denna effekt.

Ekvationerna som togs fram av fysikern Charles Kittel på 1950-talet, är en av de mest välkända som används inom modern magnetism och ligger till grund för tusentals publikationer av magnetiska fenomen. När Charles Kittel härledde sin ekvation valde han att försumma ett bidrag som han antog inte hade någon praktisk betydelse. Det försummade bidraget är relaterat till att elektronerna följer kvantfysikens lagar och beskrivs av vågfunktioner som måste följa strikta regler.

Det Uppsalaforskarna har upptäckt är att Charles Kittels ekvationer har försummat betydelsen av spinnmixningen och att en korrekt anpassad ekvation istället kan användas för mätningar av den.

För att komma fram till resultaten har forskarna använt två olika mätmetoder som har gett olika resultat, Ferromagnetisk resonans (FMR) som genomförts vid NIST Boulder och X-ray magnetic circular dichroism, som genomförts vid synkrotronen BESSY II i Berlin. Skillnaderna i svaret mellan de båda mätmetoderna har gått att härleda till en faktor i den teoretiska modellen som man tidigare har bortsett ifrån. Nu har man kommit på att den ändå spelar en roll och att skillnaden ger värdet på vad spinnmixningen borde vara.

– Det här kommer att göra det möjligt med metodiska studier av spinnmixning, som kommer att föra utvecklingen av spinnelektronik framåt, säger Ronny Knut.

Uppsala universitet har bidragit med både experiment (Ronny Knut och Olof Karis) och teori (Yaroslav Kvashnin, Erna K. Delczeg-Czirjak och Olle Eriksson). Forskningen har genomförts i ett samarbete med forskare från NIST i Boulder och USF i Florida, USA, Örebro universitet, Trinity college i Dublin, Irland och Helmholz-Zentrum Berlin, Tyskland.

Artikelreferens: Shaw, J. M., Quantifying Spin-Mixed States in Ferromagnets, Physical Review Letters 127, 207201 (2021), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.207201

För mer information:

Ronny Knut, forskare i röntgenfysik vid institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet, e-post: ronny.knut@physics.uu.se, telefon: 018-471 3603, mobiltelefon: 070-364 52 43

Olof Karis, professor i röntgenfysik vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, e-post: prefekt@physics.uu.se, telefon: 070-425 03 29

En beskrivning av artikeln av en expert inom fältet: https://physics.aps.org/articles/v14/156