Yeni nesil enerji tasarruflu mikroelektronik cihazların ve bilgi işleme teknolojilerinin önemli bir kategorisi, muhtemelen hem elektronun yükünü hem de dönüşünü-küçük “yukarı” veya “aşağı” manyetik momentten yararlanan “spintronics” e dayanacaktır. elektron. Şimdi, spin dalgaları veya magnon olarak bilinen spinlerin kolektif davranışlarını kullanan Magnonics olarak bilinen nispeten yeni bir spintronics alt kümesi yayıldı.
Magnonik gelişimini ilerletmek için, araştırmacıların hala manyetik malzemelerde spin dalgaları hakkında bilgi edinecek çok şey var. Mevcut mikroskopi teknikleri dönmeye yeterince duyarlı olmadığından veya gerçekleşen magnon davranışlarını gerçekten görüntüleyecek kadar “hızlı” olduğundan, spin dalgalarının en etkili şekilde spin dalgalarının en etkili şekilde görüntüleme dalgalarının bir metre seviyesinde veya nano ölçekte nasıl görüntüleneceğidir. son derece kısa zaman çizelgeleri üzerinde.
Ancak şimdi, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Brookhaven Ulusal Laboratuvarı’ndaki bir grup araştırmacı, mikrodalga teknolojisi ile birleştirilmiş bir elektron mikroskobu kullanarak spin dalgalarını oldukça sıkıştırılmış gerçek zamanlı olarak görüntülemenin bir yolunu geliştirdi. Çalışmaları elektron mikroskopisi ve magnonik alanları için önemli bir atılımdır. 27 Ocak 2025’te açıklanmaktadır. Doğa Malzemeleri.
“Görüntüleme kurulumumuz gerçekten yenilikçi, hem benzersiz bir yüksek mekansal hem de zamansal çözünürlükle spin-dalga davranışını doğrudan gözlemlememizi sağlıyor.” Dedi. Stony Brook Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü öğrencisi ve tez araştırmasını Brookhaven’da yürütüyor. “Bu, elektron mikroskopisi ile ilk kez spin dalgaları gözlendi.”
Çalışma, Magnon araştırmalarında yeni sınırlar açıyor, ancak ötesinde – bunun gibi “ultra hızlı” görüntüleme tekniklerindeki geliştirmeler, araştırmacıların insan beyninin enerji verimliliğini ve paralel işleme yeteneklerini kopyalamaya çalıştığı nöromorfik hesaplama alanını ilerletmek için gereklidir. daha hızlı hızlarda çalışırken. İnsan beyninde, nöronlar bilgiyi işler ve iletirken, sinapslar nöronları birbirine bağlar ve sinyallerin nörotransmitterler aracılığıyla aktarılmasını kolaylaştırır, öğrenme ve bellek oluşumunu sağlar.
“Çalışmamızın nihai hedefi ve genel olarak nöromorfik hesaplama, yapay sistemlerle beyin benzeri işlevselliği anlamak ve gerçekleştirmektir.” Dedi. .
Manyetik malzemelerde dalgaları döndürür
Spin durumları ve spin dalgalarının araştırılması ve bunların nasıl kontrol edileceğini öğrenmek, enerji tasarruflu bilgi işlem, gelişmiş bellek ve kuantum cihazlar gibi modern ve gelecekteki teknolojilerin geliştirilmesi için hayati önem taşır. Spintronics ve Magnonics, geleneksel cihazlardaki şarj akımlarıyla ilişkili enerji kayıplarını en aza indirir ve daha hızlı sinyal işlemeyi mümkün kılar.
Bu çalışmada ekip, litografi desen ve mikrodalga teknolojisi kullanarak Permalloy ince filmlerde benzersiz bir topolojik manyetik yapıyı yarattı ve stabilize etti. Bu filmler, dönenlerin dairesel, girdap benzeri bir desende kıvrıldığı lokalize bölgeler ve zıt bir spin kiralitesi içeren “anti-voreksler” ve ayrıca bağlanan çeşitli manyetik alan duvarları içerir. onlara.
Bir anten aracılığıyla, grup örneğe radyo frekansı elektrik sinyalleri uyguladı ve spinlerin uyarılmasına neden oldu. Oradan, grup spin dalgalarının üretimini, yayılmasını, yansımasını ve müdahalesini gözlemleyebildi.
Çalışma, spin dalgalarının tercihen anti-vorekslerde oluştuğunu ve ayrıca spin dalgası emisyonunun belirli alan duvarlarının salınım hareketi ile ilişkili olduğunu gösterdi. Bu bulgular, enerji tasarruflu sinyal işleme anlayışımızı ilerleterek, magnonik sistemlerde spin dalgası oluşumu ve iletim mekanizmaları hakkında değerli bilgiler sunmaktadır.
Önce başka bir elektron mikroskopisi: görüntüleme spin dalgası dinamikleri
Zhu ve grubu, yirmi yıl önce Brookhaven’da ABD’nin ilk özel Lorentz Transmission elektron mikroskobunu (LTEM) manyetik malzemeler ve ince filmlerdeki spin yapılarını görüntülemek için satın aldı. Bir LTEM’de, bir manyetik numuneden geçen bir elektron ışını, numunedeki dönüşlerle etkileşimi nedeniyle yansıtılır ve bir Lorentz kuvveti üretir. Elektron ışınının sapmalarını analiz ederek manyetik yapı ve spin durumları ve dinamikleri görüntülenebilir ve incelenebilir.
2014 yılında, görüntüleme spin dalgaları kavramı Brookhaven’da geliştirildi. Grup, LTEM’i, darbeli lazerler kullanmadan TEM’lerde pikosaniye elektron demetleri üreten bir cihaz olan mikrodalga frekans aracılı ultra hızlı elektron pulseri ile birleştirdi.
Pulser başlangıçta küçük bir hızlandırıcı teknoloji şirketi olan Euclid Techlabs, LLC ile ortaklaşa geliştirildi. Geliştirme, 2019’da Ar -Ge 100 ödülü ve 2020’de bir Mikroskopi İnovasyon Ödülü kazandı ve elektron mikroskopisi alanında önemli dikkat ve tanınma kazandı.
Bununla birlikte, spin dalga dinamiklerini yakalama yeteneği, çerçeve başına birkaç pikosaniye (saniyenin trilyonda biri) hızında görüntüleme son derece zor olduğu için yeni bir başarı seviyesini temsil eder.
“Bu, gelişmiş donanım ve yazılımın geliştirilmesini gerektirir, örneğin, veri ediniminin kesin senkronize edilmesi ve yüzlerce submikron ölçekli görüntünün hizalanması için tek elektrona duyarlı bir ultrafast tespit sistemi ve karmaşık hesaplama algoritmaları- Bir samanlıkta iğne, “diye açıkladı makalenin ortak yazarı Brookhaven fizikçi Spencer Reisbick.
Kalıcı çabalarla, grup spin dalgaları üretmek ve dinamik davranışlarını hassasiyetle yakalamak için kontrollü mikrodalga uyarımı başarıyla elde etti.
Çalışma aynı zamanda, ultra hızlı araştırmalar geleneksel olarak temel çalışmalar için fotoekitasyona dayandığı için pratik uygulamalar için elektrik tetiklemesinin kritik önemini vurgulamaktadır. Saf elektrik uyarımı, nöral ağı davranışını taklit etmek için gerekli olan biyolojik sinapslarda bulunan elektrikli desen bazlı sinyallemeyi tekrarlar.
Zhu, “Çalışmamız elektron mikroskopisinde yeni bir sınır açıyor ve magnon dinamiklerinin eşi görülmemiş bir nano ölçekli manzarası sunuyor.” Dedi. “Mikrodalga görüntülemenin TEM’de tanıtımı önemli bir atılımdır, çünkü modern kablosuz teknolojiler ve kuantum kubitleri GHz frekanslarında çalıştığından. Yüksek frekanslı elektrik uyarmasını görüntüleme ile birleştirerek, temel araştırma ve pratik gerçek dünya uygulamaları arasındaki boşluğu kapatmayı amaçlıyoruz. “
