Ny metod för att studera kvantspinndynamik i magnetiska material

Hur magneter beter sig kan analyseras genom att studera dynamiken hos små magnetiska dipoler, så kallade spinn, lokaliserad till enskilda atomer i ett material. Traditionellt sätt brukar man använda sig av den klassiska Landau-Lifshitz-Gilbertekvationen för att studera spinndynamiken i olika material.

Svenska forskare har nu utvidgat den klassiska Landau-Lifshitz-Gilbertekvationen för att även kunna studera hur kvanteffekter som kan påverka dynamiken hos magneter.

– Vi har kunnat visa att vår kvantmekaniska version av den klassiska Landau-Lifshitz-Gilbertekvationen korrekt fångar den förväntade dissipativa dynamiken för individuella magnetiska spinn, men också ger nya effekter som inte har någon motsvarighet i den klassiska beskrivningen, säger Erik Sjöqvist, professor vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet som initierat och lett studien.

Det första steget för att ta fram den utvecklade ekvationen var att hitta en ekvation för ett isolerat spinn i ett yttre magnetfält, som ger samma dynamik som i den klassiska ekvationen. Därefter genomförde forskarna numeriska simuleringar för vad som händer för ett system med två utvalda kvantspinn i samma yttre pålagda magnetiska fält, dels för ferromagnetiskt material och dels för antiferromagnetiskt material.

Numeriska simuleringar påvisade endast kvantitativa skillnader jämfört med den klassiska beskrivningen för ferromagnetiskt kopplade spinn, det vill säga då spinnen båda tenderar att lägga sig parallellt med det pålagda magnetfältet.

För antiferromagnetiska material, där motriktade spinn är energimässigt fördelaktigt, upptäckte man däremot en stor skillnad. Där leder kvantsammanflätningen till att det magnetiska bidraget från de enskilda spinnen till slut upphör. Detta är i skarp kontrast med den traditionella klassiska beskrivningen där storleken på spinnen måste vara konstant över tid och bekräftar därmed bilden att kvanteffekter kan förväntas spela störst roll i material med antiferromagnetiskt kopplade spinn.

– Simuleringar av den föreslagna kvantekvationen leder till att den klassiska bilden bryter samman, på grund av att spinnen kan kvantsammanflätas, säger Erik Sjöqvist.

Nästa steg är att utveckla metoden för system med flera spinn, för vilka mer sofistikerade sammanflätningseffekter kan förväntas uppträda, och även kombinera en beskrivning av klassiska och kvantmekaniska spinn. Målet med forskningen är att framöver kunna förslå experiment där betydelsen av kvanteffekter i magnetiska material kan studeras.

– På längre sikt kan arbetet leda till insikter om hur kvanteffekter skulle kunna leda till möjliga praktiska tillämpningar inom spinntronik, datalagring samt hårdvara till kvantdatorer och andra kvantteknologier, säger Erik Sjöqvist.

Camilla Thulin