En hovedkategori af den næste generation af energieffektive mikroelektroniske enheder og informationsbehandlingsteknologier vil sandsynligvis være baseret på “spintronics”, som udnytter både en elektron’s ladning og dens spin-den lille “op” eller “ned” magnetisk øjeblik båret af hver Elektron. Nu er en relativt ny undergruppe af Spintronics dukket op, kendt som Magnonics, der udnytter spinsens kollektive opførsel, kendt som spin -bølger eller Magnons.
For at fremme udviklingen af magnonik har forskere stadig meget at lære om spinbølger i magnetiske materialer. En udfordring har været, hvordan man mest effektivt image spin-bølger på milliard-niveauet niveau eller nanoskala, da nuværende mikroskopiteknikker ikke er tilstrækkeligt følsomme til spin, og heller ikke er “hurtige” nok til faktisk at forestille Magnon-adfærd, der finder sted på ekstremt korte tidsskalaer.
Nu har en gruppe forskere ved det amerikanske Energi -afdeling (DOE) Brookhaven National Laboratory imidlertid udviklet en måde at image spin -bølger i stærkt komprimeret realtid ved hjælp af et elektronmikroskop, der er koblet med mikrobølgeteknologi. Deres arbejde er et betydeligt gennembrud for felterne inden for elektronmikroskopi og magnonik. Det er beskrevet i den 27. januar 2025, udstedelse af Naturmaterialer.
“Vores billeddannelsesopsætning er virkelig innovativ, hvilket giver os mulighed for direkte at observere spin-bølgeopførsel med både en uovertruffen høj rumlig og tidsmæssig opløsning,” sagde Chuhang Liu, papirets hovedforfatter, der er ph.d. Studerende i Institut for Fysik og Astronomi ved Stony Brook University og udfører sin specialeundersøgelse i Brookhaven. “Dette er første gang, at spin -bølger er observeret med elektronmikroskopi.”
Undersøgelsen åbner nye grænser i Magnon Research, men også ud over – udviklinger i “ultrahurtige” billeddannelsesteknikker som denne er vigtige for at fremme området for neuromorf computing, hvor forskere forsøger at gentage energieffektiviteten og parallelle forarbejdningsevne i den menneskelige hjerne, mens du arbejder med endnu hurtigere hastigheder. I den menneskelige hjerne processer og transmitterer neuroner information, mens synapser forbinder neuroner og letter overførslen af signaler gennem neurotransmittere, hvilket muliggør læring og hukommelsesdannelse.
“Det ultimative mål med vores undersøgelse og neuromorf computing generelt er at forstå og realisere hjerne-lignende funktionalitet med kunstige systemer,” sagde Liu’s rådgiver, senior Brookhaven-fysikeren Yimei Zhu, som er den tilsvarende forfatter af papiret og indledte projektet .
Spin bølger i magnetiske materialer
At undersøge spin-tilstande og spinbølger og lære at kontrollere dem er afgørende for udviklingen af moderne og fremtidige teknologier, såsom energieffektiv computing, avanceret hukommelse og kvanteenheder. Spintronics og Magnonics minimerer energitabene forbundet med ladningsstrømme i traditionelle enheder og muliggør hurtigere signalbehandling.
I dette arbejde skabte og stabiliserede teamet en unik topologisk magnetisk struktur i Permalloy Thin Films ved hjælp af litografi -mønstring og mikrobølgeteknologi. Disse film indeholder “spinhvirvler”, som er lokaliserede regioner, hvor spins krøller sig rundt i et cirkulært, hvirvellignende mønster og “anti-hvirvler” med en modsat spin-chiralitet, såvel som forskellige typer magnetiske domænevægge, der forbinder dem.
Gennem en antenne anvendte gruppen elektriske radiofrekvens elektriske signaler til prøven, der forårsager en excitation af spins. Derfra var gruppen i stand til at observere generation, forplantning, refleksion og interferens af spinbølgerne.
Undersøgelsen afslørede, at spin-bølgerne fortrinsvis dannes ved anti-hvirvler og også viste, at spin-bølgeemissionen er forbundet med en oscillerende bevægelse af specifikke domænevægge. Disse fund giver værdifuld indsigt i mekanismerne til dannelse af spin bølge og transmission i magnoniske systemer, hvilket fremmer vores forståelse af energieffektiv signalbehandling.
En anden elektronmikroskopi først: Imaging Spin Wave Dynamics
Zhu og hans gruppe erhvervede USAs første dedikerede Lorentz Transmission Electron Microscope (LTEM) i Brookhaven for to årtier siden for at billedet spinstrukturer i magnetiske materialer og tynde film. I en LTEM afspejles en elektronstråle, der passerer gennem en magnetisk prøve, på grund af dens interaktion med spins i prøven, hvilket genererer en Lorentz -kraft. Ved at analysere afbøjningerne af elektronstrålen kan magnetisk struktur og spin -tilstande og deres dynamik afbildes og studeres.
I 2014 blev begrebet billeddannelsesspin -bølger udviklet i Brookhaven. Gruppen koblede LTEM med en mikrobølgefrekvente-medieret ultrahøst elektronpulser, en enhed, der genererer picosecond-elektronforbindelser i TEM’er uden brug af pulserede lasere.
Pulser blev oprindeligt udviklet i partnerskab med Euclid Techlabs, LLC, et lille accelerator -teknologiselskab. Udviklingen tjente en F & U -pris i 2019 og en mikroskopi -innovationspris i 2020, hvilket indsamlede betydelig opmærksomhed og anerkendelse inden for elektronmikroskopi.
Imidlertid repræsenterer evnen til at fange spin -bølgedynamik et nyt niveau af gennemførelse, da billeddannelses svage spin -signaler med en hastighed på et par picosekunder (billionens af et sekund) pr. Ramme er ekstremt udfordrende.
“Dette kræver udvikling af avanceret hardware og software, for eksempel et enkeltelektron-følsomt ultrahastisk detektionssystem og komplekse beregningsalgoritmer til præcis synkronisering af dataindsamling og tilpasning af hundreder af submikronskala-billeder-en opgave endnu mere skræmmende end at finde en Nål i en høstak, “forklarede Brookhaven-fysikeren Spencer Reisbick, en medforfatter til papiret.
Gennem vedvarende indsats opnåede gruppen med succes kontrolleret mikrobølgeovnscitation for at generere spin -bølger og fange deres dynamiske opførsel med præcision.
Arbejdet fremhæver også den kritiske betydning af elektrisk udløsning til praktiske anvendelser, da ultrahurtig forskning traditionelt er afhængig af fotoexcitation til grundlæggende undersøgelser. Ren elektrisk excitation replikerer den elektriske-spike-baserede signalering, der findes i biologiske synapser, en funktion, der er essentiel til efterligning af neurale netværksadfærd.
“Vores arbejde åbner en ny grænse inden for elektronmikroskopi og tilbyder en hidtil uset nanoskala -visning af Magnon Dynamics,” sagde Zhu. “Introduktionen af mikrobølgebillede i TEM er et betydeligt gennembrud, da moderne trådløse teknologier og kvante qubits fungerer ved GHz-frekvenser. Ved at kombinere højfrekvent elektrisk excitation med billeddannelse sigter vi mod at bygge bro mellem grundlæggende forskning og praktiske anvendelser i den virkelige verden. “