Ένα νέο spin στους μαγνήτες

Από σελίδα του PhysicsWeb 8-Φεβρουαρίου-2001

Κάθε σπουδαστής της φυσικής ξέρει ότι κάθε κινούμενο ηλεκτρόνιο παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Αλλά οι φυσικοί ανακάλυψαν πρόσφατα έναν απολύτως ευδιάκριτο τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να δημιουργήσουν ένα πεδίο μέσα σε έναν μαγνήτη - με τη μεταφορά μερικών από τα spin τους στο μαγνήτη. Τώρα ο Wolfgang Weber από την Ζυρίχη και συνάδελφοι του έχουν μετρήσει το φαινόμενο και θεωρούν ότι θα μπορούσε να είναι το κλειδί στις εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες εγγραφών στον κόσμο των μαγνητικών μέσων.

Οταν ένα ενεργητικό ηλεκτρόνιο με ένα ορισμένο spin εγχέεται σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό - όπως είναι ο σίδηρος, το κοβάλτιο ή το νικέλιο - το spin στο ηλεκτρόνιο ευθυγραμμίζεται μερικώς με το μαγνητικό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι ο μαγνήτης πρέπει να εξασκεί μια δύναμη στο spin του ηλεκτρονίου. Στη συνέχεια, το ηλεκτρόνιο ασκεί μια δύναμη στο μαγνήτη να συντηρήσει την στροφορμή του. Η επίδραση ενός μοναδικού ηλεκτρονίου στο μαγνητικό πεδίο θα ήταν μικροσκοπική, αλλά η ομάδα του Weber διαπίστωσε ότι ένας παλμός ενεργητικών ηλεκτρονίων με τα ίδια spin σχηματίζει μια ιδιαίτερη περιοχή.

Οι ερευνητές ενέχυσαν τα ηλεκτρόνια σε ένα σιδηρομαγνητικό ύλικό και έλεγξαν τα spin τους μόλις μερικά εκατομμυριοστά του δισεκατομυριοστού ενός δευτερολέπτου αργότερα. Με τη μέτρηση του βαθμού στον οποίο τα spin ευθυγραμμίστηκαν με την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, συνήγαγαν το συμπέρασμα πόσο μετακινήθηκε το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου - που είναι, μια ίση και αντίθετη ποσότητα προς τη μετακίνηση του ηλεκτρονίου. Εν ολίγοις, τα ηλεκτρόνια αλλάζουν τη μαγνήτιση.

Η ομάδα του Weber διαπίστωσε ότι αυτό το φαινόμενο που αποκαλείται φαινόμενο μεταφοράς του spin μπορεί να παραγάγει μια αποτελεσματική πυκνότητα μαγνητικής ροής τουλάχιστον 1 tesla - δέκα φορές περισσότερο από τη τιμή που απαιτείται για να μεταστρέψει τη μαγνήτιση. Η νέα τεχνική επίσης μπορεί να εφαρμοστεί στο μαγνητικό πεδίο μιας πολύ μικρής περιοχής - στο μέγεθος ακριβώς μερικών ατόμων - που είναι ένα πλεονέκτημα στις μικροσκοπικές συσκευές. Οι υπάρχουσες συσκευές στηρίζονται στα μαγνητικά πεδία που αποσυντίθενται αργά με την απόσταση - και αυτό τα κάνει δύσκολο να μεταστρέψουν μια ενιαία περιοχή σε ένα μαγνητικό μέσο καταγραφής χωρίς διατάραξη των γειτονικών περιοχών του. Η νέα μέθοδος είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρος για της υψηλής ταχύτητας εγγραφές στα μαγνητικά μέσα επειδή ο παλμός των ηλεκτρονίων πρέπει να εγχυθεί στο μαγνήτη σε δέκατά ενός νανοδευτερολέπτου, διαφορετικά η μαγνητική επανάκαμψη εμποδίζει τη δράση μετατροπής του μαγνητικού πεδίου.

Το πειραματικό σύστημα χρησιμοποιεί μια δέσμη ελεύθερων ηλεκτρονίων, αλλά ο επόμενος στόχος είναι να χρησιμοποιηθούν ηλεκτρόνια με τις χαμηλότερες ενέργειες σε μια πρακτικότερη συσκευή. "Έπειτα, στοχεύουμε να ενσωματώσουμε την πηγή ηλεκτρονίων με την πόλωση του spin, στο σιδηρομαγνητικό film," είπε ο Weber.

Οι φυσικοί J. Slonczewski και L. Berger ανακάλυψαν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο το φαινόμενο "μεταφορά του spin" το 1996. Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Slonczewski σε οποιεσδήποτε μελλοντικές συσκευές που εκμεταλλεύονται αυτό το φαινόμενο έχει καταχωρηθεί στο γραφείο αμερικανικών διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας.