Визуализация магнетизма на атомном уровне с помощью нового метода визуализации

от

Международная исследовательская группа под руководством Forschungszentrum Jülich добилась невиданной ранее точности в визуализации магнетизма внутри твёрдых тел. Используя недавно разработанный метод, учёные смогли получить изображения тончайших строительных блоков магнетизма непосредственно на атомном уровне. Они опубликовали свои результаты в журнале Nature Materials.

Магнетизм в нашей жизни

Магнетизм является неотъемлемой частью нашей повседневной жизни — он используется в электрических двигателях, громкоговорителях и носителях информации современных компьютеров. Он генерируется движением и вращением электронов. Предыдущие методы могли измерять эти свойства лишь в ограниченной степени и часто только на поверхности материалов.

Команда под руководством доктора Хасана Али и профессора Рафаля Э. Дунин-Борковского разработала новый метод, используя современный электронный микроскоп для измерения магнитных свойств с ранее недостижимым разрешением.

Результаты исследования

Учёные впервые исследовали железный кристалл — один из наиболее известных магнитных материалов. Они сделали удивительное открытие: даже внутри монокристалла соотношение орбитальных и спин-связанных магнитных моментов значительно варьируется от места к месту. Эти тонкие различия оказывают существенное влияние на магнитные свойства и ранее были недоступны для измерения.

«Наша техника позволяет нам визуализировать магнитные свойства внутри материала с атомной точностью», — объясняет доктор Хасан Али, первый автор исследования. «Это позволяет нам наблюдать, как ведут себя движение и вращение электронов в кристаллической решётке».

Перспективы

Результаты не только значимы для фундаментальных исследований. Они также открывают новые возможности для разработки инновационных технологий. В будущем новый метод может помочь разработать энергосберегающие решения для хранения данных или продвинуть всё ещё молодую область спинтроники, которая использует вращение электронов для обработки информации.

Дефекты в монокристаллическом оксиде индия, галлия и цинка могут устранить нестабильность отображения

Многие дисплеи, используемые в смартфонах и телевизорах, полагаются на тонкоплёночные транзисторы (TFT), изготовленные из оксида индия, галлия и цинка (IGZO), для управления пикселями. IGZO обеспечивает высокую прозрачность благодаря своей большой запрещённой зоне (промежуток между валентной и зоной проводимости), высокой проводимости и может работать даже в аморфной (некристаллической) форме, что делает его идеальным для дисплеев, гибкой электроники и солнечных элементов.

Однако устройства на основе IGZO сталкиваются с проблемами долгосрочной стабильности, такими как стресс от отрицательного смещения подсветки, где длительное воздействие света и электрического напряжения сдвигает напряжение, необходимое для активации пикселей. Эти нестабильности, как полагают, связаны со структурными несовершенствами, которые создают дополнительные электронные состояния, известные как подзонные состояния, которые улавливают носители заряда и нарушают поток тока.

Новый метод выращивания монокристаллов IGZO

Используя недавно разработанный метод выращивания высококачественных монокристаллов IGZO, команда под руководством профессора Томохико Сайто из отдела прикладной физики Токийского университета науки (TUS), Япония, впервые подробно рассмотрела, как дефекты на атомном уровне влияют на электронные свойства материала.

Исследование было совместным усилием с участием доктора Горо Шибаты из отдела прикладной физики (в настоящее время в Японском агентстве по атомной энергии), профессора Нобуаки Миякавы из отдела прикладной физики, TUS, и доктора Акиры Ясуи из Института исследований синхротронного излучения Японии.

«Изучение электронной структуры объёмных монокристаллов IGZO помогает нам понять, как кристалличность материала влияет на подзонные состояния и что вызывает его анизотропную электропроводность», — говорит профессор Сайто.

Выводы

Результаты исследования предоставляют первое детальное представление о том, как дефекты на атомном уровне и структурный порядок влияют на электронные свойства монокристаллического IGZO. Это исследование помогает определить оптимальные условия отжига при выращивании образцов или выявить родственный материал, обладающий гомологичной структурой для разработки надёжных TFT.

Энергоэффективные аппаратные средства для искусственного интеллекта

Стремительный рост приложений искусственного интеллекта (ИИ) предъявляет всё более высокие требования к нашей энергетической инфраструктуре. Поэтому всё более актуальным становится поиск энергосберегающих решений для аппаратных средств ИИ. Одной из перспективных идей является использование так называемых спиновых волн для обработки информации.

Команда из университетов Мюнстера и Гейдельберга под руководством физика профессора Рудольфа Братшича (Мюнстер) разработала новый способ производства волноводов, в которых спиновые волны могут распространяться особенно далеко. Они создали крупнейшую на сегодняшний день сеть спиновых волноводов.

Группа также успешно контролировала свойства спиновой волны, передаваемой в волноводе. Например, они смогли точно изменить длину волны и отражение спиновой волны на определённом интерфейсе. Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.

Спиновые волны для обработки информации

Спин электрона — это квантово-механическая величина, которая также описывается как внутренний угловой момент. Выравнивание множества спинов в материале определяет его магнитные свойства. Если к магнитному материалу с антенной приложить переменный ток, генерируя таким образом изменяющееся магнитное поле, спины в материале могут генерировать спиновую волну.

Спиновые волны уже использовались для создания отдельных компонентов, таких как логические элементы, которые обрабатывают двоичные входные сигналы в двоичные выходные сигналы, или мультиплексоры, которые выбирают один из различных входных сигналов. Однако до сих пор компоненты не были соединены в более крупную схему.

«Тот факт, что более крупные сети, такие как те, что используются в электронике, ещё не были реализованы, частично объясняется сильным затуханием спиновых волн в волноводах, соединяющих отдельные переключающие элементы, особенно если они уже уже тоньше микрометра и, следовательно, находятся на наноуровне», — объясняет Братшич.

Группа использовала материал с наименьшим затуханием, который известен на данный момент: иттрий-железный гранат (YIG). Исследователи нанесли отдельные спиноволноводы на 110-нанометровый тонкий слой этого магнитного материала с помощью пучка ионов кремния и создали большую сеть с 198 узлами. Новый метод позволяет гибко и воспроизводимо создавать сложные структуры высокого качества.