小磁铁揭示的大秘密，已确定电子自旋动力学的微观过程！

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由加州大学河滨分校的一位物理学家领导的一个国际研究小组，已经确定了纳米颗粒中电子自旋动力学的微观过程，这可能会影响医学、量子计算和自旋电子学应用程序的设计。磁性纳米颗粒和纳米器件在药物输送和磁共振成像（MRI）以及信息技术方面有几个应用。控制自旋动力学（电子自旋的运动）是提高这种基于纳米磁铁应用程序性能的关键。物理和天文学系助理教授、在发表在《科学进展》期刊上这项研究的主要作者Igor Barsukov说：

这项工作推进了我们对纳米磁铁中自旋动力学的理解。电子自旋，就像旋转的陀螺一样，是相互联系的，当一个自旋开始进动时，进动传播到相邻的自旋，从而设置一个波。因此，自旋波是自旋的集体激发，在纳米磁铁中的表现与在大磁铁或延伸磁铁中的表现不同。在纳米磁铁中，自旋波受到磁体大小的限制，通常在50纳米左右，因此出现了不寻常的现象。特别地，一个自旋波可以通过称为“三磁振子散射”的过程转变为另一个，磁振子是自旋波的量子单位。

在纳米磁铁中，这一过程得到了共振增强，这意味着它被放大到特定的磁场中。与加州大学欧文分校和圣何塞西部数据的研究人员以及乌克兰和智利的理论同事合作，Barsukov演示了三个磁振子散射，而纳米磁铁的大小，决定了这些磁体如何对自旋电流做出响应，这种发展可能导致范式转变的进步。自旋电子正在引领更快、更节能的信息技术，对于这样的技术，纳米磁铁是构建块，需要由自旋电流控制。尽管在技术上很重要，但对纳米磁铁中能量耗散的基本理解一直难以捉摸。

研究工作提供了对纳米磁网能量耗散原理的洞察，并使从事自旋电子学和信息技术工作的工程师能够制造出更好的设备。在研究中探索的微观过程在量子计算背景下也可能是有意义的，研究人员目前正试图解决单个的磁子问题，而本研究可能会对多个研究领域产生潜在影响。磁阻尼是基于磁性纳米颗粒新兴技术的关键指标，例如自旋力矩记忆和高分辨率生物磁性成像。尽管它很重要，但对纳米铁磁体中磁耗散的理解依旧难以理解，并且阻尼经常被视为一个唯象常数。

本研究报告了一种大频率相关非线性阻尼的发现，它强烈地改变了纳米铁磁体对自旋力矩和微波磁场的响应。这种阻尼机制源于三磁振子散射，纳米磁铁中磁子的几何限制强烈增强了三磁振子散射。研究证明，巨大的非线性阻尼可以逆转自旋力矩对纳米磁铁的影响，导致反阻尼力矩对电流诱导的阻尼的额外增强。研究也促进了对纳米铁磁体和自旋力矩器件中磁动力学的理解。
博科园｜研究/来自：加州大学河滨分校
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