Ученые впервые получили возможность непосредственно наблюдать спиновые волны, известные как магноны, в веществе с разрешением в нанометр. Это открытие прокладывает дорогу к разработке электроники нового поколения, которая будет обладать большей скоростью и эффективностью потребления энергии.
В материалах, таких как железо или никель, магнетизм обусловлен наличием «крошечных магнитов», которые связаны с атомами – так называемыми атомными спинами. В магнитных материалах спины атомов, расположенных по соседству, ориентированы согласованно, что приводит к возникновению коллективных колебаний. Эти колебания называют спиновыми волнами, или магноны. Распространение происходит по материалу, аналогично волнам, распространяющимся по водной поверхности.
Магноны имеют основополагающее значение для магноники — перспективной области исследований. В традиционной электронике передача информации осуществляется электрическими зарядами, тогда как магноника использует спиновые волны. Это открывает перспективы для создания технологий нового поколения, которые будут быстрее, меньше и потреблять меньше энергии. Использование магнонов может позволить устройствам обрабатывать данные с существенно меньшими энергетическими затратами по сравнению с современными полупроводниковыми системами.
До недавнего времени изучение магнонов было затруднено принципиальной проблемой. Существующие технологии не позволяли практически наблюдать и анализировать поведение спиновых волн на наномасштабе.
Большинство существующих методов позволяли исследовать магноны либо на протяженных участках поверхности, либо в массивных образцах материала, однако не предоставляли сведений о процессах, протекающих на уровне отдельных наноструктур. Это препятствует пониманию влияния дефектов кристаллической решетки или границ раздела между различными материалами на распространение спиновых волн, что является ключевым фактором для разработки практических устройств.
Шведские ученые из Уппсальского университета, работая в сотрудничестве с международными исследователями, добились значительного прогресса, создав инновационную методику для визуализации и анализа магнонов с разрешением в нанометрном диапазоне. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Для проведения эксперимента был использован сканирующий просвечивающий электронный микроскоп STEM, находящийся в лаборатории SuperSTEM в Великобритании. Особенность этого прибора — чрезвычайно высокое энергетическое разрешение, примерно семь миллиэлектронвольт. Такой точностью обладают всего несколько микроскопов в мире. Во время эксперимента пучок электронов пропускали через тонкий образец, нанокристалл оксида никеля, и измеряли мельчайшие потери энергии электронов. Именно эти потери несли в себе информацию о возбуждении магнонов внутри материала.
Два теоретических метода, созданных в Уппсальском университете, оказались решающими для анализа экспериментальных данных. Одним из них является теория TACAW, позволяющая моделировать взаимодействие быстрых электронов с магнонами. С ее помощью удалось точно установить, какой сигнал в спектре потерь энергии соответствует спиновым волнам. Теория предсказала появление сигнала от магнонов в оксиде никеля при энергии приблизительно 100 миллиэлектронвольт, что было подтверждено экспериментальными результатами.
Вторым значимым инструментом стала программа UppASD, предназначенная для моделирования атомистической спиновой динамики. С её помощью удалось детально симулировать поведение спиновых волн в нанокристалле оксида никеля и сравнить полученные результаты с экспериментальными данными. Соответствие теоретических предсказаний и данных, полученных с помощью микроскопа, стало убедительным подтверждением того, что ученым удалось зарегистрировать именно магноны.
Наглядные результаты продемонстрировали, что сигнал от магнонов значительно слабее, в тысячи раз, чем сигнал от колебаний кристаллической решетки – фононов. Именно это затрудняло его обнаружение. Исследователи не только зарегистрировали магноны, но и создали их пространственную карту. Она показала, что сигнал от спиновых волн регистрировался только внутри 30-нанометровой пленки оксида никеля и полностью отсутствовал на границе с немагнитной подложкой. Это стало непосредственным подтверждением того, что теперь возможно изучение магнонов с нанометровым пространственным разрешением.
Данное исследование представляет собой значительный прогресс в области магноники и электронной микроскопии. Оно расширяет возможности изучения основных характеристик магнетизма в наномасштабе. Теперь ученые получили возможность непосредственно наблюдать взаимодействие спиновых волн с дефектами, границами и другими наноструктурами материала. Полученные данные критически важны для разработки и создания нового поколения спинтронных устройств, потенциально способных заменить существующую электронику.