Gigantiske spinnbølgekonduktans i ultratynne isolatorer overrasker forskere

Når du gjør ledende ledninger tynnere, øker deres elektriske motstand. Dette er Ohms lov, og det er generelt rett. Et viktig unntak er ved svært lave temperaturer, hvor mobiliteten til elektroner øker når ledninger blir så tynne at de effektivt er todimensjonale. Nå har fysikere fra University of Groningen, sammen med kolleger ved Brest University, observert at noe lignende skjer med ledningsevnen til magnoner, spinnbølger som beveger seg gjennom magnetiske isolatorer, omtrent som en bølge gjennom et stadion. Økningen i konduktivitet var spektakulær, og skjedde ved romtemperatur. Denne observasjonen ble publisert i Naturmaterialer den 22. september.

Elektroner har en magnetisk moment, kalt spinn, som har verdien «opp» eller «ned». Det er mulig å akkumulere én type spinn ved å sende en strøm gjennom en tungt metall, slik som platina. Når disse spinnene båret av elektroner møter den magnetiske isolatoren YIG (yttriumjerngranat), kan ikke elektronene passere gjennom. Ved grensesnittet med YIG overføres imidlertid spinneksitasjonen: magnoner (som også kan bære spinn) begeistres. Disse spinnbølgene passerer gjennom den magnetiske isolatoren som en bølge på et stadion: ingen av elektronene (“tilskuerne”) beveger seg fra sin plass, men de sender likevel spinneksitasjonen videre. Ved detektorelektroden skjer den omvendte prosessen: magnonene lager elektroniske spinn, som deretter produserer en elektrisk spenning som kan måles, forklarer Bart van Wees, professor i anvendt fysikk ved Universitetet i Groningen og spesialist på felt som spintronikk.

Motivert av økningen av elektronmobilitet i 2D-materialer bestemte gruppen seg for å teste magnon transport i ultratynne (nanometer) YIG-filmer. “Disse filmene er strengt tatt ikke 2D-materialer, men når de er tynne nok, kan magnonene bare bevege seg i to dimensjoner,” forklarer Van Wees. Målingene, utført av Ph.D. student Xiangyang Wei, ga et overraskende resultat: Spinnledningsevnen gikk opp med tre størrelsesordener, sammenlignet med YIG-bulkmateriale.

Dramatiske effekter

Forskere bruker ikke begreper som “gigant” lett, men i dette tilfellet var det fullt ut berettiget, sier Van Wees. “Vi gjorde materialet 100 ganger tynnere, og magnon-ledningsevnen gikk opp 1000 ganger. Og dette skjedde ikke ved lave temperaturer, som kreves for høy elektronmobilitet i 2D-ledere, men ved romtemperatur.” Dette resultatet var uventet og så langt uforklarlig. Van Wees: “I vårt papir gir vi en tentativ teoretisk forklaring som er basert på overgangen fra 3D til 2D magnontransport. Men det kan ikke fullt ut forklare de dramatiske effektene vi observerer.”

Så hva kan gjøres med denne gigantiske magnon-ledningen? “Vi forstår det ikke,” sier Van Wees. “Derfor er våre nåværende påstander begrenset. Dette muliggjør forskning som kan vise vei til noe ny, men uoppdaget fysikk. I det lange løp kan dette også produsere nye enheter.” Førsteforfatter Xiangyang Wei legger til: “Fordi det ikke er noen elektrontransport involvert, produserer magnonbølgene ingen konvensjonell varmespredning. Og varmeproduksjon er et stort problem i stadig mindre elektroniske enheter.”

Superledningsevne

Og ettersom magnoner er bosoner (dvs. de har heltallsspinnkvanteverdier), kan det være mulig å lage en sammenhengende tilstand som kan sammenlignes med et Bose-Einstein-kondensat. Van Wees: “Dette kan til og med produsere spinn-superledning.” Alt dette er for fremtiden. Foreløpig er den gigantiske magnon-konduktansen i YIG godt dokumentert. “Målingene er klare. Vi ser frem til et godt samarbeid mellom teoretiske fysikere og eksperimentelle.”

---

---