Spectroscopic Detection of Magnetic Scattering and Quasiparticles at Atomic Resolution in the Electron Microscope

电子显微镜中原子分辨率的磁散射和准粒子的光谱检测

基本信息

  • 批准号:
    EP/Z531194/1
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 163.78万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Research Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2024 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Semiconductor devices that have revolutionised science and technology are based on the ability to control the transport of electron charges in nanoscale-sized materials. However, the miniaturisation of transistors, the building blocks of logic devices, is reaching a bottleneck and the speed of charge transport is reaching its physical limits, highlighting the need for new device designs. Electrons being used in electronic devices carry an additional piece of information called spin. So-called spintronic devices exploit this electron spin, in addition to its charge, to transport information more quickly and effectively. As a result, they have the potential to overcome the limitations of conventional electronics. A way to implement this concept is through the creation in spintronic materials of 'information waves', periodic oscillations of the spin of charge carriers, which propagate within the devices. These spin waves are also called 'magnons'. In order to effectively use these magnons in new electronics, it is essential to visualise and understand how they are generated and transferred within spintronic devices across interfaces or contacts and thus shed light on how effectively information can be carried. Up to now, no experimental tool or method has been available to provide this information at the relevant nano- or even atomic scale.Era-defining technological and methodological developments in the last decade in the field of electron microscopy have seen the energy resolution of current-generation instruments reach the sub-5meV level while retaining atomic-scale spatial resolution. Such ground-breaking capabilities should enable the detection of energy losses incurred by electron probes scattered within samples being observed when exciting magnons, which lie in this meV energy range. This International Centre-to-Centre Collaborative project thus assembles a team whose research and expertise are at the forefront of scanning transmission electron microscopy (STEM) and electron energy loss spectroscopy (EELS), with extensive experience in generating knowledge, tools, and methodologies in the fields of advanced electron microscopy and modelling of electron scattering, with a view to demonstrate magnon EEL spectroscopy in the electron microscope.The project aims to develop the experimental and theoretical tools that will allow us to detect and visualise magnons at the nano and atomic scale with electron-based spectroscopy. A main goal is to fingerprint unambiguously the spectroscopic signature of magnons in materials for spintronic applications and to correlate this observation with the wealth of structural and chemical information that analytical electron microscopy can provide. State-of-the-art computational tools will allow us to guide and design experimental parameters and to rationalised experimental results. This project will provide a new way of studying the fundamentals of magnetic ordering and spin wave excitations in the solid state and it will provide a complete picture of magnetic and electronic properties of materials and devices.
彻底改变科学和技术的半导体设备是基于控制纳米级材料中电子电荷运输的能力。但是,晶体管的微型化,逻辑设备的构建基块正在达到瓶颈,充电速度运输速度正在达到其物理极限,突出了对新设备设计的需求。电子设备中使用的电子携带的其他信息称为自旋。所谓的Spintronic设备除了电荷外,还利用了该电子自旋,以更快有效地传输信息。结果,它们有可能克服常规电子设备的局限性。实施此概念的一种方法是通过在“信息波”的自旋材料中创建,即电荷载体自旋的周期性振荡,这些载体在设备中传播。这些自旋波也称为“镁”。为了有效地在新电子设备中使用这些镁,必须可视化和了解它们在跨接口或触点中如何在Spintronic设备中生成和传输,从而阐明了如何有效携带信息。到目前为止,尚无实验工具或方法可在相关的纳米甚至原子量表上提供此信息。在过去十年中,在电子显微镜领域定义的技术和方法论发展已经看到了当前代代仪器的能量分辨率达到了亚sub-5mev水平,同时仍保留了原子尺度空间分辨率。这种开创性的功能应能够检测出散布在样品中的电子探针所产生的能量损失,当时在此MEV能量范围内观察到的样品被观察到。因此,这个国际对中心的合作项目组装了一个团队,其研究和专业知识位于扫描传输电子显微镜(STEM)和电子能量损失光谱(EELS)的最前沿,并具有丰富的知识,工具和方法学经验,具有高级电子显微镜和散射型的散射镜头的领域,以示置了Eeld Magnon eel的散射,并展示了Eell Eell Eeld的散射。实验和理论工具将使我们能够通过基于电子的光谱检测和可视化纳米和原子量表的磁蛋白。一个主要目的是明确地指纹指纹材料中用于旋转的材料中的光谱特征,并将这种观察结果与分析电子显微镜可以提供的大量结构和化学信息相关联。最新的计算工具将使我们能够指导和设计实验参数并合理化实验结果。该项目将提供一种研究固态中磁性排序和自旋波激发基础的新方法,并将提供材料和设备的磁性和电子特性的完整图片。

项目成果

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  • 通讯作者:
    名和憲嗣,秋山亨,伊藤智徳,中村浩次

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