Senden von Spinwellen an einen isolierenden 2D-Magneten

Quanten-Hall-Ferromagnete gehören zu den reinsten Magneten der Welt und sind einer der am schwierigsten zu untersuchenden. Diese 2-D-Magnete können nur bei Temperaturen unter einem Grad über dem absoluten Nullpunkt und in hohen Magnetfeldern, etwa in der Größenordnung einer MRT, hergestellt werden.

Aber Quanten-Hall-Ferromagnete könnten möglicherweise wirklich coole Dinge bewirken, wie z.B. Wirts-Spin-Superfluität, die es wie die Supraleitung ermöglicht, Signale ohne Energieverlust zu senden.

In einem kürzlich veröffentlichten Paper in Science konnten Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) Spinwellen in einem Quanten-Hall-Ferromagneten sowohl anregen als auch nachweisen und demonstrieren eine neue Plattform, um einige der Möglichkeiten dieses vielversprechenden Materials zu untersuchen.

„Obwohl die Quanten-Hall-Ferromagnete seit fast 40 Jahren untersucht werden, waren diese magnetischen Anregungen mit herkömmlichen Messverfahren bisher nicht zugänglich“, sagt Amir Yacoby, Professor für Physik und Angewandte Physik an SEAS und Senior Author der Arbeit.

Yacoby und sein Team verwendeten Graphen als Quanten-Hall-Ferromagnet. Um eine Spinwelle anzuregen, wandelten die Forscher ein elektrisches Signal in ein Spin-Signal um, indem sie eine Spannungsdifferenz zwischen zwei Kanten im Graphen erzeugten. Elektronen in der „heißen Kante“ (die Kante mit höherer Spannung) wollen sich zur „kalten Kante“ (die Kante mit niedrigerer Spannung) bewegen, aber um dies zu tun, müssen sie ihren Spin umdrehen.

„Wenn die Elektronen ihren Spin umdrehen, geben sie eine Art Impuls ab, den Spin-Drehimpuls“, sagt Di Wei, ein Doktorand im Yacoby Lab und Erstautor der Arbeit. „Dieser Impuls muss irgendwo hingehen, und es kommt vor, dass der Ferromagnet da ist, um ihn aufzunehmen.“

Dieses Moment ist wie ein Kieselstein, der in einen Teich fällt: Es löst eine Spin-Welle aus, die sich wie ein Quantenspiel des Telefons ausbreitet, wobei jedes Elektron stillsteht und den Spin an seinen gekoppelten Nachbarn weiterleitet.

Wenn die Welle die andere Seite erreicht, prallt sie gegen die Elektronen am Rand, überträgt ihren Impuls auf sie und bewirkt, dass die Elektronen ihren Spin umdrehen. Wenn der Elektronenspin umkehrt, bewegen sich die Elektronen in verschiedene Bereiche am Rand, die dann von den Forschern als elektrisches Signal erkannt werden. Diese Kombination von Spin und Elektronik könnte einen wichtigen Einfluss auf eine Reihe von Anwendungen haben, darunter kleinere, schnellere und effizientere Computer.

„Frühere Forschungen haben etwas Ähnliches gezeigt, in Bezug auf die Verwendung eines elektrischen Signals zur Erzeugung einer Spinwelle, aber dies ist das erste Mal, dass dieses Phänomen in einem 2D-System gezeigt wurde, das auf das Quanten-Hall-System abgestimmt ist“, sagte Wei. „Dieses System erlaubt es uns auch, spannende Aspekte von Spinwellen zu untersuchen, möglicherweise sogar Spin-Superfluidität.“

Mehr Informationen:
Di S. Wei et al. Elektrische Erzeugung und Detektion von Spinwellen in einem Quanten-Hall-Ferromagneten, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aar4061

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