När du gör ledande ledningar tunnare ökar deras elektriska motstånd. Detta är Ohms lag, och det är i allmänhet rätt. Ett viktigt undantag är vid mycket låga temperaturer, där elektronernas rörlighet ökar när ledningar blir så tunna att de i praktiken är tvådimensionella. Nu har fysiker från University of Groningen, tillsammans med kollegor vid Brest University, observerat att något liknande händer med ledningsförmågan hos magnoner, spinnvågor som färdas genom magnetiska isolatorer, ungefär som en våg genom en stadion. Ökningen i konduktivitet var spektakulär och inträffade vid rumstemperatur. Denna observation publicerades i Nature Materials den 22 september.

Elektroner har ett magnetiskt moment, kallat spin, som har värdet "upp" eller "ner". Det är möjligt att samla en typ av spinn genom att skicka en ström genom en tungmetall, som platina. När dessa spinn som bärs av elektroner möter den magnetiska isolatorn YIG (yttriumjärngranat), kan elektronerna inte passera igenom. Men vid gränssnittet med YIG förs spinnexcitationen vidare:magnoner (som också kan bära spinn) exciteras. Dessa snurrvågor passerar genom den magnetiska isolatorn som en våg på en stadion:ingen av elektronerna ("åskådarna") rör sig från sin plats, men de skickar ändå spinnexcitationen vidare. Vid detektorelektroden sker den omvända processen:magnonerna gör elektroniska snurr, som sedan producerar en elektrisk spänning som kan mätas, förklarar Bart van Wees, professor i tillämpad fysik vid universitetet i Groningen och specialist inom områden som spintronik.

Motiverad av ökningen av elektronrörlighet i 2D-material bestämde hans grupp sig för att testa magnontransport i ultratunna (nanometer) YIG-filmer. "De här filmerna är inte strikt 2D-material, men när de är tillräckligt tunna kan magnonerna bara röra sig i två dimensioner", förklarar Van Wees. Mätningarna, utförda av Ph.D. elev Xiangyang Wei, gav ett överraskande resultat:spinnkonduktiviteten ökade med tre storleksordningar, jämfört med YIG-bulkmaterial.

Dramatiska effekter

Forskare använder inte termer som "jätte" lätt, men i det här fallet var det fullt berättigat, säger Van Wees. "Vi gjorde materialet 100 gånger tunnare, och magnonledningsförmågan gick i drift 1 000 gånger. Och detta hände inte vid låga temperaturer, som krävs för hög elektronrörlighet i 2D-ledare, utan vid rumstemperatur." Detta resultat var oväntat och, än så länge, oförklarat. Van Wees:"I vår artikel ger vi en preliminär teoretisk förklaring som är baserad på övergången från 3D till 2D magnontransport. Men det kan inte helt förklara de dramatiska effekter vi observerar."

Så vad kan man göra med denna gigantiska magnonledning? "Vi förstår det inte", säger Van Wees. "Därför är våra nuvarande påståenden begränsade. Detta möjliggör forskning som kan peka på en del ny ännu oupptäckt fysik. I det långa loppet kan detta också producera nya enheter." Förstaförfattaren Xiangyang Wei tillägger:"Eftersom det inte finns någon elektrontransport inblandad producerar magnonvågorna ingen konventionell värmeavledning. Och värmeproduktion är ett stort problem i allt mindre elektroniska enheter."

Supraledning

Och eftersom magnoner är bosoner (dvs de har heltalsspinkvantvärden) kan det vara möjligt att skapa ett sammanhängande tillstånd jämförbart med ett Bose-Einstein-kondensat. Van Wees:"Detta kan till och med producera spinsupraledning." Allt detta är för framtiden. För nu är den gigantiska magnonkonduktansen i YIG väl dokumenterad. "Mätningarna är tydliga. Vi ser fram emot ett bra samarbete mellan teoretiska fysiker och experimentalister." + Utforska vidare

Praktisk spinnvågstransistor ett steg närmare