来自国家同步加速器光源II (NSLS-II)的三位研究人员瓦伦蒂娜·比索尼(Valentina Bisogni)、乔纳森·佩里西亚里(Jonathan Pelliciari)和李介民(Jiemin Li)对他们发现的多种磁振子激发表现出极大的兴奋，变焦屏幕闪烁了一下。他们的研究成果最近在《物理评论X》上发表。
“我们发现的磁振子激发在信息传输方面非常有趣，因为它们不依赖于——”佩里西亚里说，正当他继续解释时，屏幕却冻结了。
“约翰尼，请再说一遍。你卡住了，”比索尼说道。
“这就是我们需要开发利用磁振子激发的设备，以便在没有干扰的情况下进行信息传输，”李笑着补充道。
在计算机芯片中传递信息时，电子必须从一端移动到另一端，就像跑步者在熟悉但略有颠簸的跑道上奔跑。距离越远，传输所需的时间越长，信息丢失和能量耗散的风险也随之增加。而使用磁振子波进行信息传输的设备则不需要移动电子。相反，它们利用电子的自旋特性来传递信息，因此被称为“自旋电子学”。
电子的自旋可以朝不同的方向。其他电子能够“感知”邻近电子的自旋方向，仿佛它们在挥舞着旗帜。当需要传递信息时，电子会升起或降下它的旗帜，接下来的电子会模仿这个动作，依此类推。通过这种方式，信息或标志位置的变化在电子之间传递，而无需任何电子的实际移动。
比索尼领导的研究团队正在努力理解构建自旋电子学所需材料的基本特性。他们的研究聚焦于一种名为赤铁矿的常见材料，这是一种氧化铁或铁锈的形式。
比索尼表示：“过去，赤铁矿主要以较大样品（称为散装）或晶体形式进行研究。这并不是一种新材料，但它在自旋电子学中的潜在应用是全新的。我们现在正在研究这种材料在潜在设备中的应用形式。如果想制造小型设备，就必须将这种材料制成薄膜。我们从其他材料的研究中了解到，一些特性，比如磁振子转移，会因材料的形状而有所不同。”
过去，赤铁矿受到关注是因为它属于一种有趣的材料类别，称为反铁磁体。
“你日常使用的冰箱磁铁是铁磁体，它有一个可观察到的磁场。在铁磁体中，所有自旋都指向同一方向，形成磁场。而在反铁磁体中，自旋则指向不同方向，因此没有可观察的磁场，但我们可以在微观层面上看到它们。”
然而，在反铁磁材料中“观察”自旋并不容易，尤其是当想要了解自旋如何产生不同的磁振子波时。该团队需要一种特殊的、独特的研究工具来测量材料中磁振子波的行为。
这个工具是NSLS-II的软非弹性x射线散射(SIX)光束线。NSLS-II是美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学用户设施，拥有29条可操作的光束线，供研究人员研究各种材料。光束线是x射线光子传输系统与实验终端的结合。一个半英里的圆形加速器为超亮x射线的产生提供动力，这是理解赤铁矿等物质内部工作原理的关键工具。
在NSLS-II众多令人印象深刻的研究工具中，SIX光束线的独特之处在于实验装置位于一个独立的建筑内。在这栋建筑中，一个49英尺长的机械臂移动探测器围绕样本转动，以收集散射到样本上的x射线。在本次实验中，样本是赤铁矿薄膜，但SIX也可用于研究其他多种固体材料。
“通过SIX光束线，我们能够测量磁振子波的光谱。我们发现的第一种模式与散装材料中的模式相同。虽然这听起来可能不太有趣，但实际上很重要，因为它不一定是相同的。在我们之前对铁磁材料的研究中，薄膜和体材料的第一模是不同的。此外，我们还能够测量到以前从未见过的更高模式。”
佩里西亚里补充道：“这同样适用于大量材料的测量。由于其他技术在研究整体自旋时的概念限制，你将无法观察到这些模式。大多数其他技术只能看到第二次激发，而无法更进一步。”
这些模式或激发类似于材料中电子自旋的位置，或前面提到的标志的位置，具有特定于系统的特征能量。了解自旋模式对应的能量可以帮助研究人员和工程师设计出更优越的设备。
探测这些高阶模式是一项真正的挑战，团队的成功归功于光束线的强度和能量分辨率的出色结合，这得益于探测器所在的光谱仪臂的长度。
“另一个使这种测量成为可能的因素是我们的三旋转法兰。它允许我们在不破坏与样品室的真空连接的情况下旋转光谱仪臂，这意味着我们可以从不同的几何形状中获得所研究系统的更全面的图像。”
当x射线照射到样品上时，它们会像水流过不平坦的表面一样散射，向不同方向飞去。根据这些方向，研究人员可以了解材料的内部结构。在这种情况下，它提供了电子自旋传播方向的信息。因此，三个旋转的法兰使研究人员能够通过在光谱仪周围移动样品来确定x射线散射的方向。
“我们从测量中学到的一件重要的事情是，多磁振子激发背后的过程是复杂的。由于其复杂性，我们与Atshushi Hariki和Jan kuneshi的合作对于从理论角度揭示所有相互作用背后的机制至关重要，”比索尼说道。
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