Magnony, neboli spinové vlny (vlny, které při šíření materiálem překlápějí spiny elektronů), by mohly zásadně změnit způsob, jakým se v počítačích uchovávají a přenášejí informace. Magnony se při průchodu materiálem téměř nerozptylují ani nespojují s jinými částicemi. Za určitých podmínek se mohou dokonce chovat, jako by šlo o supratekuté prostředí, a pohybovat se s nulovými ztrátami energie.
V důsledku toho je ale na druhé straně tyto vlny obtížné nějak dále sledovat a popisovat. V předchozí studii vědci z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) již dokázali vtvářet (excitovat) i detekovat spinové vlny ve dvourozměrném magnetu z grafenu, ale přitom se ještě nedařilo změřit žádné další fyzikální charakteristiky magnonů. Nová studie již popisuje, jak přímo stanovit, jaké má spinová vlna v grafenu konkrétní vlastnosti.
„V předchozích experimentech jsme věděli pouze to, že se nám podařilo generovat spinové vlny, ale nedokázali jsme zjistit nic o jejich vlastnostech v kvantitativním smyslu,“ uvedl hlavní autor článku Amir Yacoby ze SEAS. „Díky této nové práci můžeme už určit i všechny tyto kvantitativní charakteristiky, včetně energie a počtu spinových vln, jejich chemického potenciálu a teploty. Jedná se o nesmírně důležitý nástroj, který lze využít ke zkoumání nových způsobů generování magnonů a přiblížit se k dosažení spinové supratekutosti.“ Výzkum byl publikován v časopise Nature Physics.
Přirovnání z tiskové zprávy praví, že měření vlastností spinové vlny je, jako bychom chtěl určit vlastností přílivové vlny, ale samotná voda by přitom pro nás byla neviditelná a nedetekovatelná. Jak potom změřit rychlost, výšku nebo počet přílivových vln? Jedním ze způsobů by bylo zavést do systému něco dalšího, co už měřit lze, například surfaře. Například rychlost přílivové vlny by se pak dala zjistit prostě změřením rychlosti surfaře.
Výzkumníci proto využili elektronovou variantu surfaře (electron surfer). Začalo se s kvantovým Hallovým feromagnetem. Kvantové Hallovy feromagnety jsou magnety vyrobené z 2D materiálů, v tomto případě z grafenu, kde mají všechny spiny elektronů stejný směr. Pokud do tohoto systému zavedeme elektron s opačným spinem, bude se snažit pomocí své energie převrátit spiny svých sousedů. Přitom vědci ale zjistili, že když do systému vnesli elektron s opačným spinem a poté vytvořili spinové vlny, energie, kterou elektron potřeboval k převrácení spinů svých sousedů, se snížila. To znamená, že elektrony jsou nějakým způsobem na přítomnost magnonů citlivé – bylo to skoro, jako kdyby tyto vlny chytaly a využívaly k převracení spinů svých sousedů. (Poznámka: zřejmě míněno tak, že magnony překlápějí spiny samy od sebe, takže právě proto to s nimi elektrony měly snazší.)
Z rozdílu energie potřebné k převracení (bez magnonů a s magnony) šlo pak stanovit chemický potenciál spinové vlny a z toho pak v kombinaci s teplotou šel získat úplný popis magnonu. A nakonec z toho pak lze odvodit, zda se již blížíme k hranici, kdy by se materiál měl z hlediska magnonů chovat jako supratekutý.
Andrew T. Pierce et al, Thermodynamics of free and bound magnons in graphene, Nature Physics (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01421-x
Zdroj: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences / Phys.org
