Spinnvågornas dans fångade på nanonivå

För första gången har forskare lyckats se spinnvågor, även kallade magnoner, i extremt små material, ner till bara några nanometer. Genombrottet var möjligt tack vare en kombination av avancerad elektronmikroskopi med hög energiupplösning och en teoretisk metod utvecklad vid Uppsala universitet. Resultaten öppnar upp nya spännande möjligheter att studera och kontrollera magnetism och kan bana väg för framtidens elektronik.

– Plötsligt kunde vi se alla magnoner och varje steg i deras dans på nanoskalan! Fram tills nu har man bara kunnat skymta magnoner på ytan i den här upplösningen. Det kändes som att sitta på första parkett till en föreställning som ingen tidigare hade sett, säger José Ángel Castellanos-Reyes, forskare vid Uppsala universitet och en av huvudförfattarna bakom studien.

I magnetiska material, som järn och nickel, finns små magnetiska egenskaper kopplade till varje atom, så kallade atomspinn. När spinnen i olika atomer i de magnetiska materialen rör sig i takt med varandra uppstår en vågrörelse, en så kallad spinnvåg, eller magnon. Det är som en dans där varje atom deltar i en gemensam koreografi.

Magnoner spelar en nyckelroll inom det snabbt växande forskningsområdet magnonik, där spinnvågorna används som informationsbärare i stället för elektrisk laddning. Magnonik kan driva nästa generations elektronik och bli snabbare, mindre och mer energieffektiv än dagens teknik, som baseras på elektriska laddningar.

Trots att magnonerna är så viktiga har det nästintill varit omöjligt att observera dem på nanonivå med befintlig teknik fram tills nu. En stor utmaning har varit att förstå hur magnoner beter sig och hur deras egenskaper kan modifieras på nanoskalan. Hittills har det till exempel inte varit möjligt att avgöra hur föroreningar, som en vakans, där en atom saknas i ett material, påverkar prestandan för magnoniska enheter.

Men forskare vid Uppsala universitet har nu, tillsammans med internationella kollegor, tagit ett stort steg framåt. I en ny studie som publicerats i Nature presenterar de en ny metod för att visualisera och analysera magnoner på nanonivå. Genombrottet blev möjligt tack vare en kombination av experiment vid SuperSTEM-laboratoriet i Storbritannien och två beräkningsmetoder utvecklade vid Uppsala universitet, TACAW och UppASD.

I experimenten använde forskarna ett svepelektrontransmissionsmikroskop med extremt hög energiupplösning, på cirka 7 meV, vilket endast ett fåtal instrument i världen har. När elektronstrålen passerade genom provet/materialet mätte forskarna energiförlusterna, där de kunde urskilja svaga spår av magnoner.

En av de metoder som används i studien är TACAW, som är en teori för elektronmikroskopi med hög energiupplösning. TACAW skapades och utvecklades vid Uppsala universitet av José Ángel Castellanos-Reyes tillsammans med Paul Zeiger och Ján Rusz och gjorde det möjligt för forskarna att simulera hur magnoner interagerar med snabbrörliga elektroner. Deras beräkningar hjälpte till att identifiera de svaga magnonsignalerna i experimentet.

– Vi förutspådde att vi skulle hitta en magnonsignal vid en energi på cirka 100 meV i nanokristallen av nickeloxid. Och experimentet bekräftade det, säger Ján Rusz, professor vid Institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet.

Den andra centrala metoden för att modellera magnonerna var UppASD, som är är en mjukvara med öppen källkod för simulering av spinndynamik på atomnivå, utvecklad och underhållen vid Uppsala universitet. UppASD var avgörande för att simulera magnonerna i nickeloxid, det modellsystem som användes i experimenten.

– UppASD är en etablerad metod för att simulera magnoner som kan detekteras med andra experimentella tekniker. Vi är därför väldigt glada över att se att våra simuleringar också spelade en viktig roll för den här nya experimentella metoden, säger Anders Bergman, universitetslektor vid Uppsala universitet och utvecklare av UppASD.

Studien visar att det nu är möjligt att se hur magnoner beter sig på nanonivå och kan förändra hur vi förstår magnetiska material och bana väg för nya teknologier.

– Det här är en milstolpe inom magnonik och mikroskopi. Det öppnar spännande möjligheter för utvecklingen av spinnbaserade elektroniska enheter, säger José Ángel Castellanos-Reyes.

Om studien

Studien har genomförts i ett samarbete mellan forskare vid Uppsala universitet, SuperSTEM-laboratoriet, University of York, University of Leeds, Durham University och Washington University (USA).

Experimenten genomfördes vid SuperSTEM-laboratoriet (Storbritannien) och leddes av Demie Kepaptsoglou. Det teoretiska arbetet utfördes av José Ángel Castellanos-Reyes med bidrag från Paul Zeiger, Anders Bergman, Ján Rusz (UU), Adam Kerrigan, J. A. do Nascimento (York University, Storbritannien) och Buddhika Mendis (Durham University, Storbritannien).

Den svenska delen av studien finansierades av Vetenskapsrådet (bidragsnummer 2021-03848), Olle Engkvists stiftelse (bidragsnummer 214-0331), STINT (bidragsnummer CH2019-8211), Knut och Alice Wallenbergs stiftelse (bidragsnummer 2022.0079), samt eSSENCE. Simuleringarna möjliggjordes genom resurser från Nationell akademisk infrastruktur för superdatorer i Sverige (NAISS), delvis finansierad av Vetenskapsrådet genom bidragsavtal nr. 2022-06725.

TACAW

TACAW har utvecklats av José Ángel Castellanos-Reyes, Paul Zeiger och Ján Rusz vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet. Metodens namn, som uttalas “Taco” är en lekfull referens till den mexikanska maträtten.

UppASD

UppASD är ett mjukvarupaket för att kunna studera magnetism och magnetiseringsdynamik på atomär skala. Namnet UppASD är en förkortning för Uppsala Atomistic Spin Dynamics, och metoden har huvudsakligen utvecklats vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet.

UppASD: https://github.com/UppASD/UppA...

Artikelreferens:

D. Kepaptsoglou, J. Á. Castellanos-Reyes, A. Kerrigan, J. A. do Nascimento, P. M. Zeiger, K. El hajraoui, J. C. Idrobo, B. G. Mendis, A. Bergman, V. K. Lazarov, J. Rusz, Q. M. Ramasse. "Magnon spectroscopy in the electron microscope", Nature (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586...

Kontakt:

Ján Rusz, professor vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, jan.rusz@physics.uu.se 070-167 93 76

José Ángel Castellanos-Reyes, forskare vid professor vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, angel.castellanos@physics.uu.se

Anders Bergman, universitetslektor vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, anders.bergman@physics.uu.se 070-425 05 88

Paul Zeiger, postdoktor vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet, paul.zeiger@physics.uu.se 070-404 13 63