Elektronspin är grundläggande egenskaper hos elektroner som bestämmer deras magnetiska beteende. I material som nickeloxid interagerar elektronsnurrarna med kristallgittret, vilket ger upphov till en mängd magnetiska fenomen. Att förstå hur dessa interaktioner uppstår är avgörande för att designa nya material för magnetisk datalagring och andra applikationer.
Nu har ett team av forskare ledda av Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) gjort ett genombrott för att förstå hur elektronsnurr interagerar med kristallgittret i nickeloxid. Deras resultat, publicerade i tidskriften Nature Communications, ger en grund för att förstå och designa nya material för magnetisk datalagring.
"Vår studie avslöjar de mikroskopiska detaljerna om hur elektronsnurr interagerar med gittret i nickeloxid", säger huvudförfattaren Yimei Zhu, en postdoktor vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Denna förståelse är väsentlig för rationell design av nya material med önskade magnetiska egenskaper."
Forskarna använde en kombination av experimentella tekniker, inklusive neutronspridning och röntgenabsorptionsspektroskopi, för att studera magnetiska excitationer i nickeloxid. De fann att elektronsnurrarna interagerar med gittret på två olika sätt:genom utbytesinteraktionen och spinn-omloppsinteraktionen.
Utbytesinteraktionen är en magnetisk interaktion mellan två elektroner som är resultatet av Paulis uteslutningsprincip. Spin-omloppsinteraktionen är en relativistisk effekt som uppstår från interaktionen mellan elektronens spinn och dess rörelse.
Forskarna fann att utbytesinteraktionen är den dominerande interaktionen i nickeloxid. Spin-omloppsinteraktionen spelar emellertid också en betydande roll för att bestämma materialets magnetiska egenskaper.
"Vår studie ger en omfattande förståelse av hur elektronsnurr interagerar med gittret i nickeloxid", säger seniorförfattaren Junjie Zhang, en stabsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "Denna förståelse kommer att göra det möjligt för oss att designa nya material med skräddarsydda magnetiska egenskaper för ett brett spektrum av applikationer, såsom magnetisk datalagring, spintronik och kvantberäkning."
Förutom Zhu och Zhang är andra forskare involverade i studien:Wenbin Wang, Xiangli Peng och Xiao Zhang från Berkeley Lab; och Robert J. Cava från Princeton University.
Denna forskning stöddes av DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division, under kontraktsnummer DE-AC02-05CH11231. Tillgång till den avancerade ljuskällans strållinje 12.3.2 gavs av DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences. Neutronspridningsexperiment utfördes vid Spallation Neutron Source (SNS), en DOE Office of Science-användaranläggning som drivs av Oak Ridge National Laboratory.
