美国能源部布鲁克海文国家实验室的三位科学家瓦伦蒂娜·比索尼(Valentina Bisogni)、乔纳森·佩里西亚里(Jonathan Pelliciari)和李介民(Jiemin Li)分享了他们对在反铁磁薄膜中发现的多磁振子激发的兴奋之情，变焦屏幕闪烁了一秒钟。他们的研究结果最近发表在《物理评论X》上。
“我们发现的磁振子激发对于信息传输的应用很有趣，因为它们不依赖于——”佩里西亚里说，就在屏幕冻结之前，他的其余解释在网络空间中消失了。
“约翰尼，请你再说一遍。你僵住了，”Bisogni说。
“这就是为什么我们需要开发使用磁振子激发的设备，这样我们就可以在没有这些干扰的情况下传输信息，”李笑着说。
为了在计算机芯片上传递信息，电子必须从一端移动到另一端，就像跑步者在熟悉但略有颠簸的跑道上一样。距离越远，传输时间越长，丢失信息和耗散能量的可能性也越大。使用磁振子波传输信息的设备根本不会移动电子。相反，他们会利用电子的一种叫做自旋的特性来传递信息。这就是为什么这项技术被称为“自旋电子学”。
电子的自旋可以有不同的方向。其他电子可以“看到”它们邻居的自旋方向，就好像它们举着一面旗帜。当信息需要传递时，电子会升起或降下它的旗子。下一个电子模仿这个运动，然后是下一个，以此类推。通过这种方式，信息或标志位置的变化在电子之间传递，而不需要任何电子移动。
由Bisogni领导的研究小组正在努力了解构建自旋电子学所需材料的基本行为。在这项研究中，他们关注的是一种名为赤铁矿的众所周知的材料，它是氧化铁或铁锈的一种形式。
Bisogni说:“在过去，赤铁矿主要以较大的样品(称为散装)或晶体形式进行研究。”“所以，这不是一种新材料。但它在自旋电子学中的潜在应用是新的。我们现在正在研究这种材料在潜在设备中使用的形式。如果你想制造一个小装置，你必须使用这种材料作为薄膜。我们从其他材料中知道，一些特性，比如磁振子转移，会根据材料的形状而改变。”
过去，人们对赤铁矿进行了研究，因为它属于一类有趣的材料，称为反铁磁体。
“你日常使用的冰箱磁铁是铁磁铁。它有一个我们可以观察到的磁场。”“在铁磁体中，所有的自旋都指向同一个方向，并产生磁场。在反铁磁体中，自旋指向不同的方向，因此没有我们可以观察到的场。但我们可以在微观层面上看到它们。”
但是在反铁磁材料中“看到”自旋并不容易，特别是如果你想看到自旋是如何产生不同的磁振子波的。该团队需要一种特殊的、独一无二的研究工具来测量材料中的磁振子波的行为。
该工具是NSLS-II的软非弹性x射线散射(SIX)光束线。NSLS-II是美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施办公室。该设施有29条可操作的光束线，使研究人员能够研究所有类型的材料。光束线是x射线光子传输系统和实验终端站的组合。一个半英里的圆形加速器为超亮x射线的产生提供动力，这是了解赤铁矿等物质内部工作原理的核心工具。
在NSLS-II所有令人印象深刻的研究工具中，SIX光束线的独特之处在于实验装置被安置在一个单独的建筑中。在这栋建筑里，一个49英尺长的机械臂移动着探测器绕着样本移动，以收集散射到样本上的x射线。在这种情况下，样品是赤铁矿薄膜，但SIX可以用于研究各种其他固体材料。
“使用SIX光束线，我们能够测量磁振子波的光谱。我们发现的第一种模式和在散装材料中是一样的。这听起来可能不有趣，但它很有趣，因为它不必是相同的。在我们之前对铁磁材料的研究中，我们发现薄膜和体的第一模是不同的。此外，我们还能够测量到以前从未见过的更高的模式。”
Pelliciari补充说:“这对于材料的大量测量也是正确的。由于用于研究整体自旋的其他技术在概念上的限制，你将无法观察到这些模式。大多数其他技术只能看到第二次激发，但它们不能更进一步。”
模式，或激发，类似于材料中电子的自旋位置，或前面提到的标志的位置，它们具有特定于系统的特征能量。了解自旋模式对应的能量可以引导研究人员和工程师设计出更好的设备。
探测这些高阶模式是一个真正的挑战，该团队将成功归功于光束线的良好强度和能量分辨率的令人印象深刻的结合，这是由探测器所在的光谱仪臂的长度所提高的。
“另一个使这种测量成为可能的是我们的三旋转法兰。它允许我们在不破坏与样品室的真空连接的情况下旋转光谱仪臂，这意味着我们可以从不同的几何形状中获得所研究系统的更完整的图像。”
当x射线照射到样品上时，它们会像水一样在凹凸不平的表面上散射，然后向不同的方向飞去。根据这些方向，研究人员可以了解材料的内部结构。在这种情况下，它提供了电子自旋传播方向的信息。因此，三个旋转的法兰使研究人员能够通过在光谱仪周围移动样品来找出x射线散射的方向。
“我们从测量中学到的一件重要的事情是，多磁振子激发背后的过程是复杂的。因为它很复杂，我们与Atshushi Hariki和Jan kuneshi的合作对于从理论的角度揭示所有相互作用背后的机制至关重要，”Bisogni说。
该团队期待着在NSLS-II上使用SIX光束线和其他工具来研究更多的材料，这些工具将帮助他们继续解决这个难题。
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