Elektronspintillstånd kan nu undersökas med mycket högre upplösning och mer effektivt, vilket öppnar nya möjligheter inom materialanalys och databearbetningsteknologier.
Forskarna Koichiro Yaji och Shunsuke Tsuda vid National Institute for Materials Science i Japan har utvecklat en förbättrad typ av mikroskop som kan visualisera nyckelaspekter av elektronspintillstånd i material. Deras studie är publicerad i tidskriften Science and Technology of Advanced Materials:Methods .
Den kvantmekaniska egenskapen hos elektroner som kallas spinn är mer komplex än spinn av föremål i vår vardagliga värld men är relaterad till den som ett mått på en elektrons rörelsemängd. Elektronernas spinntillstånd kan ha en betydande inverkan på det elektroniska och magnetiska beteendet hos materialen de ingår i.
Tekniken som utvecklats av Yaji och Tsuda är känd som avbildningstyp spin-resolved photoemission microscopy (iSPEM). Den använder ljusets interaktion med elektronerna i ett material för att detektera den relativa inriktningen av elektronsnurrarna. Den är särskilt inriktad på elektronspinnpolarisering – i vilken utsträckning elektronspinn är kollektivt inriktade i en specifik riktning.
Teamets iSPEM-maskin består av tre sammankopplade ultrahögvakuumkammare för att förbereda och analysera provet. Elektroner emitteras från provet genom att absorbera ljusenergi, accelereras genom apparaten och analyseras sedan genom interaktion med en spinfilterkristall. Resultaten visas som bilder som experter kan använda för att samla in nödvändig information om elektronspintillstånden i provet.
"Jämfört med konventionella maskiner förbättrar vår iSPEM-maskin drastiskt datainsamlingseffektiviteten med tiotusen gånger, med en mer än tiofaldig förbättring av rumslig upplösning", säger Yaji. "Detta erbjuder enorma möjligheter att karakterisera den elektroniska strukturen hos mikroskopiska material och enheter på tidigare otillgängliga nivåer i submikrometerområdet."
Detta framsteg skulle kunna främja förbättringar av att använda elektronspintillstånd i informationsbehandling och andra elektroniska enheter, som en del av det snabbt växande området som kallas spintronik. I spintroniktillämpningar används elektronernas spinntillstånd för att lagra och bearbeta information, förutom den traditionella användningen av elektrisk laddning.
"Detta kan leda till mer energieffektiva och snabbare elektroniska enheter, inklusive kvantdatorer", säger Yaji. Att tillämpa subtiliteterna av kvantmekaniskt beteende på datorer är i framkant av ansträngningarna att ta datorkraft till en annan nivå, men hittills har de flesta framstegen varit begränsade till mystiska demonstrationer snarare än praktiska tillämpningar. Att bemästra förståelsen, kontrollen och visualiseringen av elektronspin kan vara ett betydande steg framåt.
"Vi planerar nu att använda vår maskin för att undersöka möjligheterna att utveckla en ny generation av elektronspin-baserade enheter, eftersom den kommer att låta oss undersöka egenskaperna hos små och strukturellt komplexa prov som tidigare gömts för synhåll", avslutar Yaji.
Mer information: Koichiro Yaji et al, Visualisering av spinnpolariserade elektroniska tillstånd genom spinnupplöst fotoemissionsmikroskopi av bildtyp, Science and Technology of Advanced Materials:Methods (2024). DOI:10.1080/27660400.2024.2328206
Tillhandahålls av National Institute for Materials Science
