چرخش امواج در داخل یک نانو اسیلاتور که برای اولین بار تصویربرداری شده است

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

برای اولین بار، محققان مستقیما دینامیک مغناطیسی را در داخل یک نانو نوسانگر اسپین هال تصویر کردند - دستگاهی در مقیاس نانو که جریان مستقیم را به سیگنال‌های مایکروویو قابل تنظیم تبدیل می‌کند و یک بلوک سازنده امیدوارکننده برای ارتباطات بی‌سیم کارآمد انرژی و محاسبات الهام گرفته از مغز است.

یک تیم سوئدی-آلمانی به رهبری دانشگاه گوتنبرگ و هلمهولتز-زنتروم برلین (HZB) با استفاده از میکروسکوپ اشعه ایکس انتقال اسکن با تفکیک زمان در ابزار MAXYMUS در BESSY II به این مهم دست یافتند. نتایج منتشر شده در Advanced Materials، ویژگی‌های موج چرخشی را نشان می‌دهد که از تکنیک‌های اندازه‌گیری غیرمستقیم قبلی فرار کرده بودند.

نانواسیلاتورهای اسپین هال (SHNOs) یکی از همه کاره‌ترین دستگاه‌ها در اسپین‌ترونیک هستند: یک جریان مستقیم که از طریق یک انقباض به اندازه نانومتر هدایت می‌شود، مغناطش محلی را در یک امتداد ثابت قرار می‌دهد و یک ورودی DC را به یک خروجی فرکانس رادیویی قابل تنظیم تبدیل می‌کند.

از آنجایی که SHNO ها به راحتی ساخته می شوند، با CMOS سازگار هستند و می توانند به طور متقابل در آرایه های بزرگ همگام شوند، آنها به عنوان یک پلت فرم مدل برای منابع مایکروویو قابل تنظیم و محاسبات نورومورفیک و مبتنی بر موج در نظر گرفته می شوند. با این حال، آنچه در داخل یک نوسان‌گر اتفاق می‌افتد هرگز مستقیما مشاهده نشده بود - دینامیک در مقیاس‌های طول نانومتر و در کسری از نانوثانیه آشکار می‌شود.

تیم دانشگاه گوتنبرگ SHNO ها را بر اساس لایه های بسیار نازک CoFeB ساختند و دینامیک مایکروویو آنها را مشخص کردند. برای بررسی داخل دستگاه ها، این گروه با محققان HZB و همکاران موسسه سیستم های هوشمند Max Planck در اشتوتگارت همکاری کردند.

در میکروسکوپ انتقالی پرتو ایکس MAXYMUS، که در حلقه ذخیره‌سازی الکترون BESSY II در برلین کار می‌کرد، محققان دینامیک مغناطیسی را با استفاده از دو رنگی دایره‌ای مغناطیسی اشعه ایکس به عنوان مکانیزم کنتراست فیلم‌برداری کردند. آنها به وضوح فضایی چند ده نانومتر و وضوح زمانی بسیار کمتر از دوره نوسانات در حدود 6 گیگاهرتز دست یافتند.

فیلم‌های اشعه ایکس نشان می‌دهند که نوسانات خودکار موج اسپینی در دو لبه نانو انقباض متمرکز می‌شوند - اما با عدم تقارن مشخصی که به نفع یک لبه است - و امواج اسپین گسیل‌شده به‌صورت شدیدا ناهمسانگرد منتشر می‌شوند و عمود بر میدان مغناطیسی اعمال‌شده حرکت می‌کنند.

شبیه‌سازی‌های میکرومغناطیسی می‌توانند این مشاهدات را تنها پس از در نظر گرفتن سه اثر که معمولا نادیده گرفته می‌شوند، بازتولید کنند. اولا، فیلم مغناطیسی کاملا یکنواخت نیست، بلکه از دانه‌های کریستالی ریز تشکیل شده است که مرزهای آنها بر امواج اسپین تأثیر می‌گذارد. دوم، ساخت نانو ناهمسانگردی مغناطیسی عمود بر هم را تضعیف می کند - تمایل درونی مغناطش به سمت خارج از صفحه فیلم - که نقاطی را که امواج از آن ساطع می شوند تغییر می دهد.

سوم، یک اثر رابط ظریف، تعامل Dzyaloshinskii-Moriya، باعث می شود امواج چرخشی که در جهت های مخالف حرکت می کنند، رفتار متفاوتی داشته باشند و یک طرفه بودن انتشار را توضیح می دهد. شبیه سازی و آزمایش تنها با هر سه مؤلفه موافق بودند - نشانه واضحی از این که مدل های فیزیکی مورد استفاده برای طراحی SHNO و شبکه های همگام آنها نیاز به اصلاح دارند.

اندازه‌گیری‌ها همچنین یک مشاهدات جانبی غیرمنتظره را ایجاد کردند: تحت نور طولانی مدت با اشعه ایکس نرم شدید، خواص مغناطیسی نمونه‌ها به تدریج و دائما تغییر کرد. این اثر مربوط به ترکیب مواد خاصی است که در اینجا مورد مطالعه قرار گرفته است - یک لایه بسیار نازک CoFeB که با MgO پوشیده شده است - نه مواد مغناطیسی به طور کلی. با این حال، این رابط CoFeB/MgO یک عنصر استاندارد دستگاه‌های اسپینترونیک امروزی است که اغلب برای استفاده در محیط‌های پرتابش مانند ماهواره‌ها و سایر فضاپیماها در نظر گرفته می‌شوند.

بنابراین، نحوه پاسخگویی چنین دستگاه هایی به دوزهای پرتوهای زیاد، شایسته نگاه دقیق تر است.

سباستین وینتز، که اندازه‌گیری‌ها را در BESSY II رهبری می‌کرد، می‌گوید: "فقط با دیدن مستقیم امواج اسپین می‌توانیم بفهمیم که کدام مواد واقعا بر این نوسان‌گرها حکومت می‌کنند. اثراتی مانند مرز دانه‌ها و برهمکنش Dzyaloshinskii-Moriya ضروری بودند، نه اختیاری."

یوهان اکرمن، سرپرست تیم در دانشگاه گوتنبرگ، می‌افزاید: "ما می‌دانیم که SHNOها می‌توانند در شبکه‌های بسیار بزرگ همگام شوند. آنچه این تصویربرداری مستقیم به ما می‌دهد، مبنای میکروسکوپی بسیار محکم‌تری برای درک و کنترل نحوه تنظیم امواج اسپینی روابط جفت و فاز در آن شبکه‌ها است."

ویکتور اچ. گونزالز و همکاران، مشاهده مستقیم انتشار امواج اسپین در نانو نوسان ساز اسپین هال، مواد پیشرفته (2026). DOI: 10.1002/adma.74547

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →