Коллектив ученых во главе со специалистами из Национального источника синхротронного излучения II (NSLS-II) впервые в истории непосредственно наблюдал за спиновыми токами магнонов — квантованными возбуждениями в магнитной структуре материала, которые переносят угловой момент. Это достижение, ключевое для развития спинтроники, стало возможным благодаря применению метода резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Спинтроника — это перспективная область, которая использует спин, или собственный угловой момент электронов, для создания устройств, способных хранить и передавать информацию быстрее, эффективнее и с большей плотностью, чем современная электроника. Одной из фундаментальных задач на этом пути является управление спиновыми токами — потоком углового момента без одновременного переноса электрического заряда. Однако до сих пор прямое измерение таких токов оставалось чрезвычайно сложной задачей из-за отсутствия подходящих методов.
В новом эксперименте исследователи применили температурный градиент к магнитному изолятору — гранату иттрия и железа (YIG), в результате чего возник спиновый ток, переносимый магнонами. Используя уникальные возможности линии Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) на NSLS-II, ученые смогли непосредственно наблюдать за распространением этих спиновых возбуждений в неравновесных условиях. Метод RIXS оказался достаточно чувствительным, чтобы детектировать даже малейшие изменения в распределении магнонов, определяя, какие именно типы возбуждений и с каким импульсом переносят угловой момент.
Это прямое наблюдение позволило команде не только подтвердить существование магнито-переносимого спинового тока, но и изучить ключевые транспортные свойства, такие как время релаксации магнонов — продолжительность их существования до момента рассеяния. Для интерпретации данных был использован математический аппарат уравнения Больцмана, что открывает путь к созданию точных микроскопических моделей для будущих спинтронных устройств.
Разработка экспериментальной установки, сочетающей измерения RIXS с транспортными измерениями в условиях спинового тока, сама по себе стала значительным достижением. Ученые создали специальное устройство, генерирующее ток с помощью спинового эффекта Зеебека, и успешно интегрировали его в вакуумную камеру станции SIX.
Данная работа знаменует собой начало нового направления исследований. Прямое наблюдение за неравновесными явлениями открывает возможности для изучения и других форм бесзарядового переноса, таких как фононы, орбитоны и плазмоны, что в перспективе может привести к созданию более быстрых и энергоэффективных технологий.