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探索磁准粒子的属性

研究人员首次测量了磁体的一种基本特性,即磁振子极化,并在此过程中,在制造低能耗设备方面取得了进展。

近100年来,磁振子的存在一直是物理学的一个理论概念,但没有人能够证明它的存在。

利兹大学和日本东北大学的科学家们开始尝试通过测量来证明它的存在。他们的发现刚刚发表在《物理评论快报》杂志上。

玛子是磁性材料内部的准粒子,处于一个不断创造和毁灭的过程中。它们是极化的,因此可以区分为顺时针或逆时针(圆极化)、上或下以及左或右(线极化)。

人们对马子的极化特性非常感兴趣,因为物理学家相信它可以用于在低能电子设备中传输信息,这是一个被称为自旋电子学的研究领域。

科学家们的目标是测量自旋电子学研究中最常用的磁铁之一——复合钇铁石榴石的磁振子极化。在许多磁体中,只有逆时针的玛子存在。但在钇铁石榴石中,预测了逆时针和顺时针极化的马子,使其成为一种特别令人兴奋的测量材料。

该小组开始使用极化中子散射进行测量。这包括准备特定量子自旋状态(“向上”或“向下”)的中子,并将它们发射到聚焦光束中的磁体上。

在实验中,大多数中子直接穿过磁体,完全没有相互作用,这使得测量特别困难。但是,有一小部分中子与马格子相撞,并从磁体的各个方向散开。当中子飞出样品时,一个探测器测量了它们。通过分析中子的位置、能量和最终自旋状态,揭示了中子的马努性质。

在这项工作中至关重要的是,通过比较中子散射前后的自旋状态,确定了magnons的顺时针或逆时针极化。

利兹大学物理和天文学院的约瑟夫·巴克博士说:“在物理学中,理论仍然是预测,直到实验测量结果证实它们的正确性。一个著名的例子是寻找希格斯玻色子,但在整个科学领域还有许多未经验证的理论。

“最近,磁振子极化已经成为自旋电子学的一个重要课题,所以现在是尝试测量它并验证它存在的最佳时机。”

巴克博士补充说:“实验和分析是困难和复杂的。事实上,为了完善实验方法,我们进行了两次尝试,一次是在美国,一次是在法国。

“我们还必须创建一个精确的计算机模型,以确保我们正确地理解我们所看到的东西,因为中子散射测量来自一系列物理过程,这些物理过程不可能被分解成单个部分。”

研究人员现在可以把他们的研究重点放在如何利用马子的极化来制造新型的低能量自旋电子器件上。

该研究由英国皇家学会、日本科学研究促进协会、日本JST ERATO、东北大学GP-Spin计划、美国能源部和美日中子散射合作计划资助。

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