在永久磁体中的磁波可以存活,即使材料的温度升到很高,以致于大范围的磁性不复存在。
磁体内部是高度有序的自旋排列状态。对这种秩序,小的扰动可以波的形式持续传播,它被称为磁振子。然而现在的实验表明,这种波也存在于高温下,即大尺度磁有序不再能够维持的温度下。磁振子存在于宽的环境条件下,比我们先前想象的范围更宽。因此,它们可能在信息处理工程中以某种方式被使用。
在极低的温度下,铁磁体中电子的自旋指向相同的方向。在中间温度下,热扰动破坏了这种秩序,创建了一个部分有组织的状态。磁振子是相对于完全有序一个个微小偏移的集合,它可以作为波在材料内传播。如果进一步加热,高于居里温度(TC),所有的铁磁材料最终将失去长程磁有序,尽管仍然有一些有序岛在微观尺度保留下来。
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基于电子散射数据,图像描绘了一个磁振子,即自旋扭曲的波,它在铁—钯合金薄膜中传播。实验表明,这种波可以存留并传播相当长的距离,即使在温度远高于居里温度的条件下
长期以来, 物理学家一直在问:在居里温度及其以上,对磁振子来说究竟发生了什么?德国卡尔斯鲁厄科技研究院的Khalil Zakeri表示,磁振子仍然作为良好定义的激发存在。以前的旨在回答上述问题的实验一直没有定论,部分原因是:加热材料达到居里温度以上,此时样品中会有无关磁性的结构变化发生。最近的计算表明,磁振子的确应维持自身存在,至TC 以上。现在,使用低TC铁磁材料薄膜,Zakeri和他的同事们已经发现了强有力的证据——明确定义的磁振子在远高于TC的温度下传播几纳米的距离。
团队实验使用超薄铁磁薄膜,它是两个原子层组成的铁—钯合金,居里温度为380 K。为了搜索磁振子,他们用一束自旋取向的电子( 能量为6 eV) 轰击样品。原则上,如果轰击电子的自旋与样品自旋反平行,这些电子可以在材料中激发起磁振子波。这样的激发应该显示,从样品表面反射的电子约有105 meV 的能量损失,对应在太赫兹频率范围内的磁振子。
Zakeri和他的同事们在加热样品从13 K到400 K(在居里温度以上)的温度区间,使用了上述磁振子探测技术。在13 K,样品自旋几乎一致地有序取向在同一方向,研究者发现,当入射电子的自旋反平行于样品自旋,可观察到最强的磁振子信号。随着温度的升高,具有上述自旋的入射电子会产生一个较微弱的信号。对于自旋反平行的入射电子,正如所期望的,有迹象表明样品中增加的无序产生了越来越多的翻转自旋。在居里温度380 K,样品中两种自旋电子在激发磁振子中同样有效,说明映样品中长程自旋有序完全丢失。
然而,即使在400 K 时,入射电子束仍激发相干磁振子。这是可以理解的,作者认为,即使样品缺乏长程磁有序,仍然有一些小岛其内部局域有序。入射电子遇到这样的小岛可以激发产生磁振子。根据该小组的研究结果,太赫兹频率磁振子,作为相干传播的准粒子,甚至可以存活于远高于居里温度的环境。通过分析散射电子的能谱,研究者确定了这些磁振子的特性。
Zakeri希望,这种高频磁振子可能对所谓的自旋电子学信息处理有用,相关设备除了开发其电荷应用,也开发电子的自旋应用。磁振子可以用来在自旋间快速传递信息,并且高频磁振子最有用的性质在于,它们的波速比低频波波速快得多。
更多内容详见:H. J. Qin et al. Phys. Rev. Lett.,2017,118:127203。
(中国科学院理化技术研究所戴闻编译自Mark Buchanan. Physics,March 24,2017)