Физики из Университета Билефельда и Лейбницевского института исследований твёрдого тела и материалов в Дрездене (IFW Dresden) разработали метод управления атомарно тонкими полупроводниками с помощью ультракоротких световых импульсов.
Исследование, [опубликованное](https://www.nature.com/articles/s41467-025-60588-6) в Nature Communications, может проложить путь к созданию компонентов, управляемых с беспрецедентной скоростью непосредственно светом, что приведёт к появлению нового поколения оптоэлектронных устройств.
Как это работает
Учёные используют специально разработанные наномасштабные антенны для преобразования терагерцевого света в вертикальные электрические поля в атомарно тонких полупроводниках, таких как дисульфид молибдена (MoS₂). Терагерцевое излучение находится в электромагнитном спектре между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Благодаря новой конструкции антенн, эти электрические поля достигают нескольких мегавольт на сантиметр.
Традиционно такие вертикальные электрические поля, используемые, например, для переключения транзисторов и других [электронных устройств](https://phys.org/tags/electronic+devices/), применяются с помощью электронного стробирования, но этот метод принципиально ограничен относительно медленным временем отклика, — объясняет руководитель проекта, профессор физики доктор Дмитрий Турчинович из Университета Билефельда. — Наш подход использует сам терагерцевый свет для генерации управляющего сигнала в [полупроводниковом материале](https://phys.org/tags/semiconductor+material/), что позволяет создать совместимую с промышленностью, управляемую светом, сверхбыструю оптоэлектронную технологию, которая ранее была невозможна».
Метод позволяет контролировать электронную структуру в реальном времени с временными интервалами менее пикосекунды, то есть одной триллионной доли секунды. Учёные экспериментально продемонстрировали, что оптические и электронные свойства материала можно выборочно изменять с помощью [световых импульсов](https://phys.org/tags/light+pulses/).
Открытие спиновых волн на наноуровне
Впервые спиновые волны, также известные как магноны, были непосредственно наблюдаемы на наноуровне. Этот прорыв стал возможен благодаря сочетанию электронного микроскопа с высоким разрешением по энергии с теоретическим методом, разработанным в Уппсальском университете. Результаты открывают новые возможности для изучения и контроля магнетизма на наноуровне.
«Мы могли внезапно увидеть все магноны и каждый шаг их танца на [наноуровне](https://phys.org/tags/nanoscale/). До сих пор только поверхностные магноны были видны при таком разрешении. Это было похоже на получение билетов в первый ряд на представление, которое никто никогда не видел в полном объёме», — говорит Хосе Анхель Кастелланос-Рейес, соавтор исследования и исследователь в Уппсальском университете.
Магнетизм таких материалов, как железо и никель, является следствием «крошечных магнитов», прикреплённых к их атомам, так называемых атомных спинов. В этих [магнитных материалах](https://phys.org/tags/magnetic+materials/) спины в разных атомах танцуют вместе в синхронизированном движении, называемом [спиновыми волнами](https://phys.org/tags/spin+waves/) или магнонами.
Магноны играют ключевую роль в быстрорастущей области исследований — магнонике, где спиновые волны используются для передачи информации вместо электрических зарядов. Магноника может стать основой для следующего поколения электроники, предлагая более быстрые, компактные и энергоэффективные технологии по сравнению с современными системами, основанными на зарядах.
Несмотря на их важность, магноны было практически невозможно наблюдать на наноуровне с помощью существующих технологий. Большая проблема в магнонике — понимание того, как ведут себя магноны и как можно изменить их свойства на наноуровне. Например, до сих пор не было возможности оценить влияние примесей, таких как вакансия, где в материале отсутствует атом, на работу магнонных устройств.
Но теперь, в исследовании, [опубликованном](https://www.nature.com/articles/s41586-025-09318-y) в Nature, учёные из Уппсальского университета и их международные коллеги сделали большой шаг вперёд, представив новый метод визуализации и анализа магнонов на наноуровне. Это стало возможным благодаря сочетанию экспериментов, проведённых в лаборатории SuperSTEM в Великобритании, и двух теоретических и [вычислительных методов](https://phys.org/tags/computational+methods/), разработанных в Уппсальском университете, TACAW и UppASD.
В экспериментах исследователи использовали сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM) с чрезвычайно высоким энергетическим разрешением, около 7 мэВ, доступный лишь в нескольких приборах по всему миру. Они измеряли потери энергии в [электронном пучке](https://phys.org/tags/electron+beam/), когда он проходил через образец, выявляя едва заметные следы магнонов.
Один из методов, использованных в исследовании, — временная автокорреляция вспомогательных волновых функций (TACAW), теория для электронной микроскопии с высоким разрешением по энергии. TACAW была создана и разработана в Уппсальском университете Кастелланосом-Рейесом вместе с Полом Зейгером и Яном Рушем, и позволила исследователям смоделировать, как магноны взаимодействуют с быстро движущимися электронами. Их расчёты помогли идентифицировать слабые [магнонные](https://phys.org/tags/magnon/) сигналы в эксперименте.
«Мы предсказали обнаружить сигнал магнона при энергии около 100 мэВ в нанокристалле оксида никеля, и эксперимент подтвердил это», — говорит Руш, профессор кафедры физики и астрономии Уппсальского университета.
Другой важный метод — UppASD, [открытое программное обеспечение](https://phys.org/tags/open-source+software/) для атомистической спин-динамики, разработанное и поддерживаемое в Уппсальском университете. Оно стало решающим для моделирования магнонов оксида никеля, модельной системы, использованной в экспериментах.
«UppASD — это признанный метод моделирования магнонов, которые можно обнаружить с помощью других экспериментальных методов. Таким образом, мы очень рады видеть, что он также сыграл ключевую роль в этом новом типе эксперимента», — говорит доцент Андерс Бергман и разработчик UppASD.
Исследование показывает, что теперь можно увидеть, как ведут себя магноны на наноуровне, и это может изменить наше понимание магнитных материалов.
«Это веха в магнонике и микроскопии. Это открывает захватывающие возможности для разработки электронных устройств на основе спина», — говорит Кастелланос-Рейес.