【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】1991年犹他大学的化学家乔尔·米勒(Joel Miller)发明了第一个以碳为基础的磁铁，也就是在室温下保持稳定的有机化合物。这是磁学的一大进步，从那以后他就一直在探索应用。25年后物理学家Christoph Boehme和Valy Vardeny演示了一种将量子波转换成电流的方法。他们也知道他们发现了一些重要的东西，但不知道它的应用。现在这些技术已经走到了一起，可能是迈向新一代更快、更高效、更灵活的电子产品的第一步。Miller, Boehme, Vardeny和他们的同事一起工作，证明了一种基于有机的磁铁可以携带量子力学磁化的波，称为magnons，并将这些波转换成电信号。这是magnonics领域的一个突破(电子系统使用的是magnons而不是电子)，因为magnons以前是通过更难以处理的无机材料发送的。
研究人员从左到右:乔尔·米勒、罗伊斯·戴维森、汉斯·玛丽莎、浩良·刘和克里斯托弗·伯姆。图片版权：Eric V. Campbell
去这些有机材料，我们有机会将magnonics推向一个比无机材料更可控的领域。他们的研究成果今天发表在《自然材料》杂志上。magnonics是如何工作的？在继续之前，让我们讨论一下什么是magnon，以及它如何在电子产品中使用。目前的电子设备使用电子来携带信息。Magnons也可以通过材料来进行信息，但是Magnons不是由电子组成的，而是由称为自旋的量子特性组成的波。想象一个足球场，挤满了热情的球迷，举起他们的手臂为他们的球队加油。假设它们的手臂指向的方向是它们的自旋方向。如果每个风扇在空气中同时举起手臂，那么每个人的自旋方向都是一样的，本质上是一块磁铁。
现在人群开始“挥手”，除了站立和坐着的时候，一个球迷的通道向右倾斜着他们的手臂。下一个通道将在旋转的变化中拾取，并将其传递到下一行。不久之后，这个磁体就有了一个绕着体育场旋转的旋转木马。Boehme和Vardeny，杰出的物理学教授，也研究了电子学的替代领域，称为自旋电子学，其中magnonics是一个子领域。2016年他们展示了如何直接观察“逆自旋霍尔效应”，一种将自旋波转换成电流的方法。他们开始与米勒在犹他大学的国家科学基金资助材料研究科学与工程中心(MRSEC)合作。1991年米勒用有机或碳基元件制造了第一种磁性材料。这三家公司决定测试米勒的有机磁铁，看看它是否可以作为一种非磁性材料的替代品。他们测试了电子自旋共振(ESR)，这是一种测量马格龙在材料中持续时间的方法。ESR线越窄，寿命越长。
Vardeny说：这条线确实很窄，这是一条创纪录的窄线。但是使用有机磁铁，即钒四氮乙烯或V(TCNE)x，仍然面临一些挑战。这种材料对氧气非常敏感，类似于稀土磁铁。如果是新造的，很可能会着火，它会失去磁性。研究小组需要在低氧条件下处理V(TCNE)x薄膜。进行实验需要一场活动，研究小组的成员每个人都在适当的时间在合适的地点进行实验的下一阶段。数一下论文作者的数量，每次我们进行实验时，每个人都必须站在那里，随时准备好参与这个过程。开始时，米勒的一个学生早上4点到达，准备一种前体材料，并持续2到3天，因为研究团队传递了材料和数据的接力棒。并不是所有的实验都是成功的。早期，研究小组了解到他们使用的铜连接器，利用反向自旋霍尔效应将magnons转化为电能，与V(TCNE)x反应，因此无法工作。在下一次运行中切换到白金触点是成功的。
最后，研究小组报告说能够在有机磁铁中产生稳定的镁，并将这些自旋波转换成电子信号——这是一个重要的垫脚石。V(TCNE)x中的磁子的稳定性与YIG的稳定性一样好。研究人员希望，这一进展会导致更多的magnonics取代电子产品，因为magnonic系统可能比目前的系统更小、更快速，而且热量损失更少，所需的能量也更少。传统的电子设备是按伏特的比例运行的。Magnons的工作范围是毫伏，其能量约为1000倍。团队下一步希望使用V(TCNE)x来研究magnonic电路，并测试其他材料。有许多基于有机的磁铁。没有理由相信，如果你随便选一个，那一定是最好的。然而，人们还没有看到，magnonics的承诺会带来更快、更小、更高效的电子产品。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：Nature Materials
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：犹他州大学
编译：光量子
审校：博科园
解答：本文知识疑问可于评论区留言
传播：博科园
