Впервые напрямую наблюдали спиновые волны на наноуровне

Художественное изображение спиновой волны. Автор: Деми Кепапцоглу.

Впервые спиновые волны, также известные как магноны, были напрямую зафиксированы на наноуровне. Этот прорыв стал возможен благодаря сочетанию электронного микроскопа с высоким энергетическим разрешением и теоретического метода, разработанного в Уппсальском университете. Результаты открывают новые перспективы для изучения и управления магнетизмом в наномасштабе.

«Мы внезапно смогли увидеть все магноны и каждый шаг их «танца» в наномасштабе. До этого лишь поверхностные магноны удавалось разглядеть с таким разрешением. Это как получить места в первом ряду на представлении, которое никто раньше не видел целиком», — говорит Хосе Анхель Кастельянос-Реес, соавтор исследования и сотрудник Уппсальского университета.

Магнетизм таких материалов, как железо и никель, обусловлен «крошечными магнитами», связанными с их атомами — так называемыми атомными спинами. В этих магнитных материалах спины разных атомов синхронно «движутся» вместе, создавая спиновые волны или магноны.

Магноны играют ключевую роль в быстро развивающейся области магноники, 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 на основе зарядов.

Несмотря на их важность, до сих пор магноны почти невозможно было наблюдать в наномасштабе с помощью существующих технологий. Основная проблема в магнонике — понимание поведения магнонов и того, как их свойства можно модифицировать на наноуровне. Например, до сих пор не удавалось оценить влияние примесей, таких как отсутствующий атом в материале, на работу магнонных устройств.

Теперь же, в исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные из Уппсальского университета и их международные коллеги сделали большой шаг вперёд, представив новый метод визуализации и анализа магнонов в наномасштабе. Это стало возможным благодаря сочетанию экспериментов, проведённых в лаборатории SuperSTEM в Великобритании, и двух теоретических и вычислительных методов, разработанных в Уппсальском университете — TACAW и UppASD.

Экспериментальная геометрия импульсно-разрешённой EELS. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09318-y

В ходе экспериментов исследователи использовали сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM) с исключительно высоким энергетическим разрешением около 7 мэВ, доступным лишь в нескольких приборах по всему миру. Они измеряли потери энергии в электронном пучке при его прохождении через образец, выявляя тонкие следы магнонов.

Один из методов, использованных в исследовании — Time Autocorrelation of Auxiliary Wavefunctions (TACAW), теория для электронной микроскопии с высоким энергетическим разрешением. TACAW был создан и разработан в Уппсальском университете Кастельянос-Реесом вместе с Полом Цайгером и Яном Рушиком и позволил исследователям смоделировать взаимодействие магнонов с быстро движущимися электронами. Их расчёты помогли выявить слабые сигналы магнонов в эксперименте.

«Мы предсказали обнаружение сигнала магнона с энергией около 100 мэВ в нанокристалле оксида никеля, и эксперимент подтвердил это», — говорит Ян Рушик, профессор кафедры физики и астрономии Уппсальского университета.

Другим ключевым методом стал UppASD — открытое программное обеспечение для атомистического моделирования спиновой динамики, разработанное и поддерживаемое в Уппсальском университете. Оно сыграло решающую роль в моделировании магнонов оксида никеля — модельной системы, использованной в экспериментах.

«UppASD — это проверенный метод моделирования магнонов, которые можно обнаружить с помощью других экспериментальных техник. Поэтому мы очень рады, что он также сыграл ключевую роль в этом новом типе эксперимента», — говорит доцент Андерс Бергман, разработчик UppASD.

Исследование показывает, что теперь можно наблюдать за поведением магнонов в наномасштабе, что может изменить наше понимание магнитных материалов.

«Это важная веха в магнонике и микроскопии. Она открывает захватывающие перспективы для разработки спиновых электронных устройств», — говорит Кастельянос-Реес.

Дополнительная информация: Деми Кепапцоглу и др., Спектроскопия магнонов в электронном микроскопе, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09318-y

Источник: Уппсальский университет