Магнетизм материалов типа железа и никеля рождается из атомных спинов — своего рода крошечных магнитов. Соседние спины в магнитных материалах совершают согласованные движения, создавая коллективные колебания. Эти волновые колебания, известные как спиновые волны или магноны, распространяются сквозь вещество подобно ряби на воде.
Магноника: перспектива технологий нового поколения
Магноны играют ключевую роль в развивающейся сфере магноники. Если классическая электроника оперирует электрическими зарядами, то магноника использует для передачи данных спиновые волны. Данный подход обещает открыть путь к созданию устройств следующего поколения: более скоростных, компактных и энергоэффективных. Технологии на основе магнонов смогут обрабатывать информацию с гораздо меньшим энергопотреблением по сравнению с современными полупроводниковыми системами.
Вызов изучения магнонов на наноуровне
Несмотря на колоссальный потенциал, долгое время исследование магнонов наталкивалось на фундаментальное ограничение. Наблюдение и анализ поведения спиновых волн в наномасштабе оказывались недостижимы существующими методами. Большинство методик позволяли изучать магноны лишь на крупных участках или в объеме материала, не предоставляя информации о наноразмерных деталях. Без этого невозможно было понять, как дефекты кристаллической решетки или межфазные границы влияют на распространение волн — критически важный аспект для создания реальных устройств.
Новый метод от ученых Уппсальского университета
Исследователи из Уппсальского университета (Швеция) вместе с международной командой совершили настоящий прорыв. Они разработали инновационный метод для визуализации и анализа магнонов с нанометровым разрешением. Эксперимент задействовал уникальный сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM) лаборатории SuperSTEM (Великобритания), обладающий необычайно высоким энергетическим разрешением около 7 миллиэлектронвольт. Через тонкий нанокристалл оксида никеля пропускали пучок электронов, фиксируя мельчайшие потери их энергии. Эти потери и несли информацию о возбужденных магнонах внутри материала.
Теоретическая поддержка открытия
Интерпретация данных стала возможной благодаря двум передовым теоретическим методам Уппсальского университета. Теория TACAW, создающая модели взаимодействия электронов с магнонами, помогла определить спектральный сигнал спиновых волн. Расчеты показали предсказанное TACAW появление сигнала магнонов оксида никеля при энергии ~100 миллиэлектронвольт, что полностью подтвердил эксперимент. Программа UppASD для моделирования атомистической спиновой динамики детально симулировала поведение спиновых волн в нанокристалле и достигла идеального совпадения с опытными результатами, бесспорно доказывая регистрацию магнонов.
Наноразмерное картирование магнонов
Результаты ярко продемонстрировали, что сигнал от магнонов в тысячи раз слабее сигнала фононов (колебаний решетки), объясняя сложность их обнаружения ранее. Ученые не только зафиксировали магноны, но и создали их пространственную карту. Сигнал спиновых волн четко наблюдался внутри 30-нанометровой пленки оксида никеля и полностью гасился на границе с немагнитной подложкой, предоставив прямое доказательство изучения магнонов с нанометровым разрешением.
Новая эра в магнонике и микроскопии
Данное исследование знаменует важную веху в развитии магноники и электронной микроскопии. Оно открывает захватывающие перспективы для изучения фундаментальных свойств магнетизма в наномасштабе. Теперь ученые получили прямой инструмент для наблюдения того, как спиновые волны взаимодействуют с дефектами, границами и иными наноразмерными особенностями. Эти знания абсолютно необходимы для проектирования и создания нового поколения спинтронных устройств, способных в будущем превзойти существующую электронику.
