布鲁克海文国家实验室的斯蒂芬妮·科斯曼 NSLS二号的科学家瓦伦丁娜·比索尼(左)和乔纳森·佩里凯利(右)在进行这项研究的软非弹性x光散射束线处拍照
学分:布鲁克海文国家实验室 标志着自旋电子学领域的一项重大成就
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能源部的布鲁克海文国家实验室和耶鲁大学已经证明了通过改变磁性材料的厚度来控制其自旋动力学的能力
这项研究今天发表在《自然材料》杂志上，可能会导致更小、更节能的电子设备
布鲁克海文物理学家和首席研究员瓦伦丁娜·比索尼说:“我们现在可以改变单一材料(在这种情况下是铁)的厚度，找到一种能够在设备上传输信息的磁性介质，而不是寻找具有相同频率的不同材料。”
传统电子依靠电子的基本属性——电荷——来传输信息
但是，当电流流过一个器件时，它会散热，限制了设计小型器件时避免过热和牺牲性能的风险
为了满足对更小更先进的电子产品的需求，研究人员正在研究一种基于电子的不同基本特性——自旋的替代方法
与电荷类似，自旋可以像电流一样在物质中运动
区别在于，电荷电流由物理运动的电子组成，而在自旋“电流”中，电子不运动；相反，他们会像传递接力赛中的接力棒一样相互传递旋转方向——接力赛中有一长串从未真正跑过的“跑者”
“电子设备总是需要更多的内存或存储容量，散热目前正阻碍我们在更小的规模上制造设备，”比索尼说
“依靠自旋而不是电荷可以显著降低器件的过热，因此自旋电子学的目标是实现与传统电子学相同或更好的器件功能——没有缺点
" 迄今为止，自旋动力学通常是用中子散射技术测量的；然而，这种方法需要大量研究样品(一次研究多克样品)
在实际应用中，材料必须缩小到更小的尺寸
“很难预测某些材料在不同长度尺度下的表现，”比索尼说
“鉴于许多电子器件都是由非常少量的材料组成的，因此研究薄膜的特性与体积相比是非常重要的
" 为了解决这个科学问题，研究小组使用了一种叫做共振非弹性x光散射(RIXS)的技术来研究薄至一纳米的铁薄膜
虽然RIXS在科学领域的地位很高，但这项研究只是研究人员使用这项技术研究如此薄的材料中的自旋动力学的几个例子之一
美国国家同步辐射光源二号(NSLS二号)的软非弹性X射线散射(SIX)光束线的先进能力使这一成就成为可能，该光源是美国能源部科学办公室在布鲁克海文国家实验室的用户设施
艺术家对使用共振非弹性x射线散射测量材料特性随厚度变化的解释
学分:布鲁克海文国家实验室 “我们能够通过将NSLS二号的超亮X射线源与六号束线无与伦比的能量分辨率和分光计相结合来进行这些测量，”该研究的主要作者、六号的科学家乔纳森·佩里凯利说
六束线装备了一个50英尺长的分光计臂，安置在它自己的大楼里，毗邻NSLS二号的实验楼层
这个长而可移动的手臂使六号能够获得极高的能量分辨率，并揭示电子的集体运动和它们在材料中的自旋
首先研究散装铁，研究小组确认了以前中子散射技术的结果
然后，随着他们向更薄的材料发展，他们不仅成功地在原子尺度上观察到了自旋动力学，而且发现厚度可以作为微调和控制自旋动力学的“旋钮”
“看到铁从整体到仅仅几个单层保持其铁磁性的方式是令人兴奋的，”SIX的主要束线科学家毕索尼说
“由于铁是一种如此简单的元素材料，我们认为这是利用RIXS研究作为厚度函数的性质演变的一个基准案例
" 佩里西亚里补充道，“这项工作是世界级设施之间强大协同作用的结果
除了在NSLS二号进行的高水平实验和表征研究之外，如果没有耶鲁大学同事的专业知识和最先进的合成能力，这项研究是不可能的
" “因为耶鲁离NSLS二号只有两个小时的路程，所以我能够完全参与这个实验，”耶鲁大学查尔斯·安实验室的研究生李桑杰说
李和安是这项研究的共同作者
“这个实验是一个鼓舞人心的机会，可以和NSLS二号的世界级科学家一起进行同步加速器的实践测量
" 布鲁克海文的凝聚态物理和材料科学部门的研究人员也为实验数据的最佳解释提供了理论支持
SIX的研究团队将继续使用RIXS来观察与自旋电子学相关的材料特性
他们的最终目标是开发一种“开或关开关”，用于控制器件中的自旋动力学，并了解潜在的微观机制
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