۱۱ سپتامبر ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: امان تریپاتی -بازوی طیف‌سنج در خط پرتو پراکندگی اشعه ایکس نرم غیرالاستیک.آزمایشگاه ملی بروکهاون
یک تیم تحقیقاتی به اولین مشاهده مستقیم جریان‌های اسپینی مگنون دست یافته است، که یک پیشرفت حیاتی برای حوزه اسپینترونیک است.این تیم در یک مطالعه جدید گفت: “کنترل جریان‌های اسپینی، یعنی جریان تکانه زاویه‌ای اسپین، در دستگاه‌های مغناطیسی کوچک، هدف اصلی الکترونیک اسپینی است که رقیب اصلی فناوری‌های اطلاعاتی با بهره‌وری انرژی در آینده است.”
این تیم با استفاده از یک تکنیک پیشرفته اشعه ایکس توانست جریان تکانه زاویه‌ای را از طریق یک ماده بدون بار الکتریکی اندازه‌گیری کند. این فرآیند قبلاً فقط به طور غیرمستقیم مورد مطالعه قرار گرفته بود.
اسپینترونیک یک حوزه نوظهور است که از اسپین الکترون‌ها برای ایجاد دستگاه‌هایی استفاده می‌کند که می‌توانند اطلاعات را با کارایی بیشتر و در چگالی‌های بالاتر ذخیره و منتقل کنند.
یک گام کلیدی برای این فناوری، کنترل جریان‌های اسپینی است که اندازه‌گیری آنها به طور مشهوری دشوار است. تاکنون، دانشمندان معمولاً جریان اسپینی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کردند تا آن را تشخیص دهند، فرآیندی که اطلاعات مستقیم اسپین را مبهم می‌کند.
این مطالعه اضافه می‌کند: “یک جریان اسپینی خالص هرگز به طور مستقیم اندازه‌گیری نشده است زیرا میدان‌های سرگردان الکتریکی مرتبط و/یا تغییرات در توابع توزیع وابسته به اسپین غیرتعادلی برای روش‌های تشخیص تجربی مرسوم که برای انتقال بار بهینه شده‌اند، بسیار کوچک هستند.”
این تیم به رهبری دانشمندان National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) در آزمایشگاه ملی بروکهاون، از تکنیکی به نام پراکندگی رزونانسی غیرالاستیک اشعه ایکس (RIXS) استفاده کرد.
با اعمال گرادیان دما، آنها دستگاهی ساختند که جریان اسپینی مگنون را در یک عایق مغناطیسی، گارنت ایتریم آهن (YIG)، تولید می‌کند. مگنون‌ها برانگیختگی‌های کوانتیزه شده‌ای هستند که تکانه زاویه‌ای را در ساختار مغناطیسی یک ماده حمل می‌کنند.
یان هونگ گو، دانشجوی سابق فوق دکترا در گروه بیسوگنی، گفت: «هدف ما آشکار کردن مگنون‌های دخیل در جریان‌های اسپینی بود.اینها اسپین‌های متحرک نیستند، بلکه تکانه‌های زاویه‌ای متحرکی هستند که موج اسپینی را تشکیل می‌دهند، در حالی که بارهای الکترون ثابت می‌مانند.»
تکنیک RIXS به اندازه کافی حساس بود تا عدم تعادل‌های کوچک در شدت مگنون را تشخیص دهد، که منعکس کننده تغییرات در توزیع مگنون هنگام حرکت آنها بود. این یک تصویر میکروسکوپی از اینکه کدام برانگیختگی‌های خاص جریان اسپینی را حمل می‌کنند و با چه تکانه‌ای.
این رویکرد با روش‌های قبلی که فاقد توانایی اندازه‌گیری توزیع تکانه برانگیختگی‌ها در جریان اسپینی بودند، در تضاد است.با استفاده از یک مدل ریاضی، تیم توانست مدت زمان دوام مگنون‌ها و نحوه حرکت آنها را محاسبه کند. این جزئیات برای توسعه دستگاه‌های اسپینترونیک مبتنی بر مگنون در آینده ضروری هستند.
والنتینا بیسوگنی، نویسنده اصلی این مطالعه و دانشمند خطوط پرتو، گفت: “اکنون می‌توانیم تغییرات در وزن طیفی برانگیختگی را هنگام خارج کردن یک ماده از تعادل تشخیص دهیم. این امر مسیرهای تحقیقاتی بسیاری را از جمله اشکال دیگر انتقال غیرمتعارف و بدون بار، مانند فونون‌ها، اوربیتال‌ها یا پلاسمون‌ها، که نوید سریع‌تر و مقاوم‌تر بودن در برابر میدان‌های مغناطیسی را می‌دهند، باز می‌کند.”
مراحل بعدی فوری برای این تحقیق شامل تکرار نتایج در لایه‌های نازک برای مقایسه آنها با کریستال‌های حجیم است. این تیم همچنین قصد دارد از RIXS برای مطالعه سایر اشکال غیرمتعارف انتقال در مواد استفاده کند.
در پایان بیانیه مطبوعاتی آمده است: «آنها امیدوارند کاربردهایی در سیستم‌هایی مانند گرافن و مواد مغناطیسی واندروالس پیدا کنند.»
