Спиновая инженерия

Спиновая инженерия описывает контроль и манипулирование квантовыми спиновыми системами для разработки устройств и материалов. Это включает в себя использование спиновых степеней свободы в качестве исследования явлений, основанных на спинах. Из-за фундаментальной важности квантового спина для физических и химических процессов спиновая инженерия актуальна для широкого спектра научных и технологических приложений. Текущие примеры варьируются от бозе-эйнштейновской конденсации до спинового хранения и считывания данных на современных жестких дисках, а также от мощных аналитических инструментов, таких как спектроскопия ядерного магнитного резонанса и спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, до разработки магнитных молекулы как кубиты и магнитные наночастицы . Кроме того, спиновая инженерия использует функциональность спина для разработки материалов с новыми свойствами, а также для лучшего понимания и расширенного применения традиционных систем материалов. Многие химические реакции предназначены для создания объемных материалов или отдельных молекул с четко определенными спиновыми свойствами, например Одномолекулярный магнит .Цель этой статьи — представить обзор областей исследований и разработок, в которых основное внимание уделяется свойствам и приложениям квантового спина.

Введение

Поскольку спин является одним из фундаментальных квантовых свойств элементарных частиц, он важен для широкого круга физических и химических явлений. Например, спин электрона играет ключевую роль в электронной конфигурации атомов, которая лежит в основе периодической таблицы элементов. Происхождение ферромагнетизма также тесно связано с магнитным моментом, связанным со спином, и зависимым от спина принципом Паули . Таким образом, создание ферромагнитных материалов, таких как мю-металлы или алнико, в начале прошлого века можно рассматривать как ранние примеры спиновой инженерии, хотя концепция спина в то время еще не была известна. Спиновая инженерия в ее общем смысле стала возможной только после первой экспериментальной характеристики спина в эксперименте Штерна-Герлаха в 1922 году, за которым последовало развитие релятивистской квантовой механики Полем Дираком. Эта теория была первой, учитывающей спин электрона и его магнитный момент.

В то время как физика спиновой инженерии восходит к революционным открытиям квантовой химии и физики, сделанным в первые десятилетия 20-го века, химические аспекты спиновой инженерии привлекли внимание, особенно в последние двадцать лет. Сегодня исследователи сосредотачиваются на специализированных темах, таких как разработка и синтез молекулярных магнитов или других модельных систем, чтобы понять и использовать фундаментальные принципы, лежащие в основе таких явлений, как связь между магнетизмом и химической реакционной способностью, а также механические свойства металлов, связанные с микроструктурой. и биохимическое воздействие спина (например, фоторецепторных белков ) и спинового транспорта.

Области исследований спиновой инженерии

Спинтроника

Спинтроника — это использование как собственного спина электрона, так и его фундаментального электронного заряда в твердотельных устройствах и, таким образом, является частью спиновой инженерии. Спинтроника, вероятно, является одной из самых передовых областей спиновой инженерии со многими важными изобретениями, которые можно найти в устройствах конечных пользователей, таких как считывающие головки для магнитных жестких дисков. Этот раздел разделен на основные явления спинтроники и их приложения.

Основные явления спинтроники

Гигантское магнитосопротивление (ГМР) , Туннельное магнитосопротивление (ТМР) , Спиновый клапан
Передача крутящего момента (STT)
Спиновая инъекция
Чистые спиновые токи
Спиновая накачка ^[1]
Спиновые волны , магноника
(обратный) Эффект спин-холла ^[2]^[3]
Спиновые калории, эффект спинового Зеебека ^[4]^[5]

Применение спинтроники

этот раздел посвящен текущим и возможным будущим применениям спинтроники, в которых используется одно или комбинация нескольких основных явлений спинтроники:

жесткого диска Считывающие головки
Магниторезистивная память с произвольным доступом (MRAM)
Память о гоночной трассе
Спиновый транзистор
Спиновые квантовые вычисления
магнонов Спинтроника на основе ^[6]^[7]

Спиновые материалы

Материалы, свойства которых определяются или сильно зависят от квантового спина:

Магнитные сплавы, т.е. соединения Гейслера.
Графеновые системы
Органические прядильные материалы ^[8]
Молекулярные наномагниты
Магнитные молекулы
Органические радикалы
Метаматериалы с искусственным магнетизмом

Обнаружение на основе спина

методы характеристики материалов и физических или химических процессов с помощью спиновых явлений:

Магнитооптический эффект Керра ( МОКЭ )
Ядерный магнитный резонанс ( ЯМР )
Рассеяние нейтронов
Спин-поляризованная фотоэмиссия
Бриллюэновское светорассеяние (BLS)
Рентгеновский магнитный круговой дихроизм ( XMCD )

Ссылки

^ Ю. Церковняк; и др. (2002). «Улучшенное демпфирование Гилберта в тонких ферромагнитных пленках». Письма о физических отзывах . 88 (11): 117601. arXiv : cond-mat/0110247 . Бибкод : 2002PhRvL..88k7601T . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.117601 . ПМИД 11909427 . S2CID 23781506 .
^ С Сандвег; и др. (2011). «Спиновая накачка параметрически возбужденными обменными магнонами». Письма о физических отзывах . 106 (21): 216601. arXiv : 1103.2229 . Бибкод : 2011PhRvL.106u6601S . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.216601 . ПМИД 21699324 . S2CID 14519388 .
^ С. Такахаши и С. Маэкава (2008). «Спиновый ток, спиновое накопление и спиновый эффект Холла*» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (1): 014105. Бибкод : 2008STAdM...9a4105T . дои : 10.1088/1468-6996/9/1/014105 . ПМК 5099800 . ПМИД 27877931 .
^ Дж. К. Ле Бретон; и др. (2011). «Термический спиновый ток от ферромагнетика к кремнию посредством спинового туннелирования Зеебека». Природа . 475 (7354): 82–85. Бибкод : 2011Natur.475...82L . дои : 10.1038/nature10224 . ПМИД 21716285 . S2CID 4422579 .
^ К. Учида; и др. (2011). «Дальнодействующий спиновый эффект Зеебека и акустическая спиновая накачка». Природные материалы . 10 (10): 737–741. arXiv : 1103.6120 . Бибкод : 2011NatMa..10..737U . дои : 10.1038/nmat3099 . ПМИД 21857673 . S2CID 118009611 .
^ Г. Э. Бауэр и Ю. Церковняк (2011). «Спин-магнонная трансмутация» . Физика . 4 : 40. Бибкод : 2011PhyOJ...4...40B . дои : 10.1103/Физика.4.40 .
^ Ю. Кадзивара; и др. (2010). «Передача электрических сигналов путем взаимного преобразования спиновых волн в магнитном изоляторе». Природа . 464 (7286): 262–266. Бибкод : 2010Natur.464..262K . дои : 10.1038/nature08876 . ПМИД 20220845 . S2CID 4426579 .
^ С Санвито; и др. (2011). «Органическая спинтроника: фильтрация спинов с помощью молекул». Природные материалы . 10 (7): 484–485. Бибкод : 2011NatMa..10..484S . дои : 10.1038/nmat3061 . ПМИД 21697848 .

Внешние ссылки

[1] Ю. Церковняк; и др. (2002). «Улучшенное демпфирование Гилберта в тонких ферромагнитных пленках». Письма о физических отзывах . 88 (11): 117601. arXiv : cond-mat/0110247 . Бибкод : 2002PhRvL..88k7601T . doi : 10.1103/PhysRevLett.88.117601 . ПМИД 11909427 . S2CID 23781506 .

[2] С Сандвег; и др. (2011). «Спиновая накачка параметрически возбужденными обменными магнонами». Письма о физических отзывах . 106 (21): 216601. arXiv : 1103.2229 . Бибкод : 2011PhRvL.106u6601S . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.216601 . ПМИД 21699324 . S2CID 14519388 .

[3] С. Такахаши и С. Маэкава (2008). «Спиновый ток, спиновое накопление и спиновый эффект Холла*» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (1): 014105. Бибкод : 2008STAdM...9a4105T . дои : 10.1088/1468-6996/9/1/014105 . ПМК 5099800 . ПМИД 27877931 .

[4] Дж. К. Ле Бретон; и др. (2011). «Термический спиновый ток от ферромагнетика к кремнию посредством спинового туннелирования Зеебека». Природа . 475 (7354): 82–85. Бибкод : 2011Natur.475...82L . дои : 10.1038/nature10224 . ПМИД 21716285 . S2CID 4422579 .

[5] К. Учида; и др. (2011). «Дальнодействующий спиновый эффект Зеебека и акустическая спиновая накачка». Природные материалы . 10 (10): 737–741. arXiv : 1103.6120 . Бибкод : 2011NatMa..10..737U . дои : 10.1038/nmat3099 . ПМИД 21857673 . S2CID 118009611 .

[6] Г. Э. Бауэр и Ю. Церковняк (2011). «Спин-магнонная трансмутация» . Физика . 4 : 40. Бибкод : 2011PhyOJ...4...40B . дои : 10.1103/Физика.4.40 .

[7] Ю. Кадзивара; и др. (2010). «Передача электрических сигналов путем взаимного преобразования спиновых волн в магнитном изоляторе». Природа . 464 (7286): 262–266. Бибкод : 2010Natur.464..262K . дои : 10.1038/nature08876 . ПМИД 20220845 . S2CID 4426579 .

[8] С Санвито; и др. (2011). «Органическая спинтроника: фильтрация спинов с помощью молекул». Природные материалы . 10 (7): 484–485. Бибкод : 2011NatMa..10..484S . дои : 10.1038/nmat3061 . ПМИД 21697848 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]