In einem Durchbruch für die Spintronik und die Elektronenmikroskopie haben Forscher am Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums die erste Echtzeit-Nanobildgebung von Spinwellen erzielt. Die am 27. Januar 2025 in *Nature Materials* veröffentlichte Studie beschreibt eine neuartige Technik, die Elektronenmikroskopie mit Mikrowellentechnologie kombiniert, um das Verhalten von Spinwellen mit beispielloser räumlicher und zeitlicher Auflösung zu beobachten.
"Unser Bildgebungsaufbau ist wirklich innovativ und ermöglicht es uns, das Spinwellenverhalten direkt mit einer beispiellosen hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu beobachten", sagte Chuhang Liu, Hauptautor und Doktorand an der Stony Brook University. Dieser Fortschritt begegnet einer bedeutenden Herausforderung in der Magnonik, einer Untergruppe der Spintronik, die eine effektive Bildgebung von Spinwellen im Nanobereich erfordert, um energieeffiziente Mikroelektronik und Informationstechnologien voranzutreiben.
Das Team erzeugte und stabilisierte eine einzigartige topologische magnetische Struktur in Permalloy-Dünnschichten und erregte Spins mithilfe von Hochfrequenzsignalen. Dies ermöglichte es ihnen, die Erzeugung, Ausbreitung, Reflexion und Interferenz von Spinwellen zu beobachten und zu zeigen, dass sich diese Wellen bevorzugt an Anti-Wirbeln bilden und mit der oszillatorischen Bewegung bestimmter Domänenwände verbunden sind. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für das Verständnis der energieeffizienten Signalverarbeitung.
Dieser Erfolg baut auf Brookhavens zwei Jahrzehnte langer Geschichte der Spin-Strukturbildgebung mit dem ersten dedizierten Lorentz-Transmissions-Elektronenmikroskop (LTEM) der USA auf. Die Integration eines mikrowellenfrequenzvermittelten ultraschnellen Elektronenpulsers, der ursprünglich in Partnerschaft mit Euclid Techlabs, LLC, entwickelt wurde, ermöglichte die Erfassung der Spinwellendynamik mit Pikosekundengeschwindigkeit. "Unsere Arbeit eröffnet eine neue Grenze in der Elektronenmikroskopie und bietet eine beispiellose nanoskalige Ansicht der Magnondynamik", sagte Brookhaven-Physiker Yimei Zhu.
Die Entwicklung ist besonders bedeutend für das neuromorphe Computing, das darauf abzielt, die Energieeffizienz und die parallelen Verarbeitungskapazitäten des menschlichen Gehirns nachzubilden. Die in dieser Studie verwendete elektrische Triggermethode spiegelt die elektrische Spike-basierte Signalübertragung wider, die in biologischen Synapsen vorkommt, was sie für die Nachahmung des Verhaltens neuronaler Netze in künstlichen Systemen unerlässlich macht. Diese Forschung schlägt die Brücke zwischen Grundlagenforschung und praktischen Anwendungen in drahtlosen Technologien und Quantencomputern.