作為自旋電子學領域的一項重大成就，美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室和耶魯大學的研究人員展示了透過改變磁性材料的厚度來控制其自旋動力學的能力。這項發表在《自然材料》上的研究可能會導致更小，更節能的電子裝置。

Brookhaven的物理學家說：“現在，我們不再需要尋找共享正確頻率的不同材料，而是可以改變一種材料（在這種情況下為鐵）的厚度，從而找到一種磁性介質，從而能夠在整個裝置之間傳遞資訊。”首席研究員Valentina Bisogni。

傳統的電子產品依靠電子的基本特性（電荷）來傳輸資訊。但是，當電流流過整個裝置時，它會散發熱量，從而限制了小型裝置的設計範圍，而沒有過熱和犧牲效能的風險。為了滿足對更小，更先進的電子產品的需求，研究人員正在研究一種基於電子的不同基本特性的自旋方法。與電荷類似，自旋可以像電流一樣在整個材料中移動。區別在於，充電電流由物理移動的電子組成，而在自旋“電流”中，電子不移動；相反，他們彼此傳遞旋轉方向，就像在接力賽中傳遞接力棒一樣，接力棒有一連串的“跑步者”，他們從未真正跑過。

Bisogni說：“電子裝置中始終需要更大的記憶體或儲存容量，而散熱目前阻礙了我們建立較小規模的裝置。” “依靠自旋而不是充電可以大大減少裝置的過熱，因此自旋電子學的目標是實現與傳統電子產品相同的或更好的裝置功能，而沒有缺點。”

迄今為止，通常使用中子散射技術來測量自旋動力學。但是，此方法需要大量研究樣品（一次要提取多克樣品）。在實際應用中，必須將材料縮小到更小的尺寸。

Bisogni說：“很難預測某些材料在不同長度尺度下的效能。” “鑑於許多電子裝置只包含很少量的材料，因此研究薄膜的效能與整體效能相比非常重要。”

為了解決這個科學問題，研究小組使用了一種稱為共振非彈性X射線散射（RIXS）的技術來研究厚度僅為1奈米的鐵薄膜。儘管RIXS在科學領域已廣為人知，但該研究只是研究人員使用該技術研究如此薄的材料中的自旋動力學的幾個例子之一。美國國家同步加速器光源II（NSLS-II）的軟非彈性X射線散射（SIX）光束線的先進功能使這項成就成為可能，該同步線是美國能源部布魯克黑文國家實驗室的科學使用者設施辦公室。

該研究的主要作者，SIX的科學家喬納森·佩利西阿里說：“我們能夠透過將NSLS-II的超亮X射線源與SIX光束線上無與倫比的能量解析度和光譜儀結合在一起來執行這些測量。”

SIX光束線配備有一個50英尺長的光譜儀臂，位於與NSLS-II實驗層相鄰的自己的建築物中。這種可移動的長臂使SIX能夠獲得極高的能量解析度，並揭示電子在材料中的集體運動及其自旋。

該研究小組首先研究了散裝鐵，然後證實了先前中子散射技術的結果。然後，當他們轉向更薄的材料時，他們不僅成功地觀察了原子級的自旋動力學，而且還發現厚度可以作為微調和控制自旋動力學的“旋鈕”。

SIX首席束流線科學家Bisogni說：“看到鐵保持從大塊到單層的鐵磁特性的方式令人興奮。” “由於鐵是一種元素和簡單的材料，我們認為這是使用RIXS研究效能隨厚度變化的基準案例。”

Pelliciari補充說：“這項工作是世界一流設施之間強大協同作用的結果。除了在NSLS-II進行的高階實驗和特性研究之外，沒有專業知識和技術水平，這項研究是不可能的耶魯大學同事的最新綜合能力。”

耶魯大學Charles Ahn實驗室的研究生Sangjae Lee說：“由於耶魯大學距NSLS-II僅兩個小時的路程，所以我能夠完全參與該實驗。” Lee和Ahn是該研究的合著者。“這個實驗是一個激動人心的機會，可以與NSLS-II的世界級科學家進行動手同步加速器測量。”

Brookhaven的凝聚態物理和材料科學系的研究人員還為對實驗資料的最佳解釋提供了理論支援。

SIX的研究團隊將繼續使用RIXS來觀察與自旋電子學相關的材料特性。他們的最終目標是開發一個“開或關”開關，以控制裝置中的自旋動力學並瞭解潛在的微觀機制。