观察纳米尺度上的自旋舞动

发布时间：2025-08-24 17:30:23  浏览量：2

利用高分辨率电子显微镜可以直接在纳米尺度上观察到自旋波，从而为研究和控制磁性提供了新方法。

自旋波（又称磁振子）首次在纳米尺度上被直接观测到。这一突破得益于高能分辨率电子显微镜与乌普萨拉大学开发的理论方法的结合。这些成果为纳米尺度磁性的研究和控制开辟了激动人心的新机遇。

“我们突然能够在纳米尺度上看到所有的磁振子以及它们舞动的每一步！在此之前，我们只能以这种分辨率看到表面磁振子。这就像坐在前排观看一场从未有人完整观看过的演出，”该研究的共同第一作者、乌普萨拉大学研究员何塞·安赫尔·卡斯特利亚诺斯-雷耶斯说道。

铁和镍等材料的磁性源于其原子上附着的“微小磁体”，即所谓的原子自旋。在这些磁性材料中，不同原子的自旋以同步运动一起舞动，这种运动被称为自旋波或磁振子。

自旋波的艺术描绘

磁振子在快速发展的磁子学 研究领域中扮演着关键角色。该领域利用自旋波而非电荷来承载信息。磁子学有望推动下一代电子技术的发展，提供比当今基于电荷的系统更快、更小、更节能的技术。

尽管磁振子非常重要，但现有技术几乎不可能在纳米尺度上观测到它们。磁振子学的一大挑战是理解磁振子的行为方式以及如何在纳米尺度上改变其性质。例如，到目前为止，我们还无法评估杂质（例如材料中原子缺失的空位）对磁振子器件性能的影响。

如今，在《自然》杂志发表的一项研究（《电子显微镜中的磁振子谱》）中，乌普萨拉大学的研究人员及其国际合作者取得了重大进展，他们引入了一种在纳米尺度上可视化和分析磁振子的新方法。这得益于英国SuperSTEM实验室进行的实验以及乌普萨拉大学TACAW和UppASD开发的两种理论和计算方法的结合。

在实验中，研究人员使用了一台能量分辨率极高的扫描透射电子显微镜（STEM），约为7 meV，这种仪器全球仅有少数几台。他们测量了电子束穿过样品时的能量损失，揭示了磁振子的细微痕迹。

这项研究使用的方法之一是辅助波函数时间自相关（TACAW），这是一种高能分辨率电子显微镜理论。TACAW 由 José Ángel Castellanos-Reyes 与 Paul Zeiger 和 Ján Rusz 在乌普萨拉大学共同创建和开发，它使研究人员能够模拟磁振子如何与快速移动的电子相互作用。他们的计算有助于识别实验中微弱的磁振子信号。

“我们预测在氧化镍纳米晶体中会发现能量约为 100 meV 的磁振子信号，实验证实了这一点，”乌普萨拉大学物理与天文系教授 Ján Rusz 说。

另一个关键方法是 UppASD，这是一款用于原子自旋动力学的开源软件，由乌普萨拉大学开发和维护。它对于模拟实验中使用的模型系统——氧化镍的磁振子至关重要。

UppASD 的开发者、副教授 Anders Bergman 表示：“UppASD 是一种成熟的模拟磁振子的方法，可以用其他实验技术探测到。因此，我们很高兴看到它在这种新型实验中也发挥了关键作用。”

研究表明，现在可以观察磁振子在纳米尺度上的行为，并可能改变我们理解磁性材料的方式。

“这是磁子学和显微镜领域的一个里程碑！它为基于自旋的电子设备的开发开辟了激动人心的机会，”José Ángel Castellanos-Reyes 说。