En ny spin på materialeanalyse:Fordele ved at sondere elektronspintilstande med meget højere opløsning og effektivitet

Elektronspintilstande kan nu undersøges med meget højere opløsning og mere effektivt, hvilket åbner nye muligheder inden for materialeanalyse og databehandlingsteknologier.

Forskerne Koichiro Yaji og Shunsuke Tsuda ved National Institute for Materials Science i Japan har udviklet en forbedret type mikroskop, der kan visualisere nøgleaspekter af elektronspintilstande i materialer. Deres undersøgelse er publiceret i tidsskriftet Science and Technology of Advanced Materials:Methods .

Den kvantemekaniske egenskab ved elektroner kaldet spin er mere kompleks end genstandes spin i vores daglige verden, men er relateret til det som et mål for en elektrons vinkelmomentum. Elektronernes spintilstande kan have en væsentlig indflydelse på den elektroniske og magnetiske opførsel af de materialer, de er en del af.

Teknologien udviklet af Yaji og Tsuda er kendt som billeddannelsestype spin-resolved photoemission microscopy (iSPEM). Den bruger lysets interaktion med elektronerne i et materiale til at detektere den relative justering af elektronspin. Den er især fokuseret på elektronspin-polarisering – i hvilken grad elektronspin er samlet i en bestemt retning.

Holdets iSPEM-maskine består af tre indbyrdes forbundne ultrahøjvakuumkamre til forberedelse og analyse af prøven. Elektroner udsendes fra prøven ved at absorbere lysenergi, accelereres gennem apparatet og analyseres derefter ved interaktion med en spin-filterkrystal. Resultaterne vises som billeder, som eksperter kan bruge til at indsamle de nødvendige oplysninger om elektronspintilstandene i prøven.

"Sammenlignet med konventionelle maskiner forbedrer vores iSPEM-maskine drastisk dataopsamlingseffektiviteten med ti tusinde gange, med en mere end ti gange forbedring i rumlig opløsning," siger Yaji. "Dette giver enorme muligheder for at karakterisere den elektroniske struktur af mikroskopiske materialer og enheder på tidligere utilgængelige niveauer i sub-mikrometerområdet."

Dette fremskridt kunne fremme forbedringer i brugen af ​​elektronspintilstande i informationsbehandling og andre elektroniske enheder, som en del af det hurtigt udviklende felt kendt som spintronics. I spintronics-applikationer bruges elektronernes spintilstand til at lagre og behandle information ud over den traditionelle brug af elektrisk ladning.

"Dette kan føre til mere energieffektive og hurtigere elektroniske enheder, herunder kvantecomputere," siger Yaji. Anvendelse af kvantemekanisk adfærds finesser på computere er på forkant med bestræbelserne på at tage computerkraft til et andet niveau, men indtil nu har de fleste fremskridt været begrænset til mystiske demonstrationer snarere end praktiske anvendelser. At mestre forståelsen, kontrollen og visualiseringen af ​​elektronspin kan være et væsentligt skridt fremad.

"Vi planlægger nu at bruge vores maskine til at undersøge mulighederne for at udvikle en ny generation af elektronspin-baserede enheder, fordi den vil give os mulighed for at se på egenskaberne af bittesmå og strukturelt komplekse prøver, der tidligere var skjult for øje," slutter Yaji.

Flere oplysninger: Koichiro Yaji et al., Visualisering af spin-polariserede elektroniske tilstande ved spin-opløst fotoemissionsmikroskopi af billeddannende type, Science and Technology of Advanced Materials:Methods (2024). DOI:10.1080/27660400.2024.2328206

Leveret af National Institute for Materials Science