Wetenschap
Een nieuwe draai aan materiaalanalyse:voordelen van het onderzoeken van elektronenspintoestanden met een veel hogere resolutie en efficiëntie
Elektronenspintoestanden kunnen nu met een veel hogere resolutie en efficiënter worden onderzocht, wat nieuwe mogelijkheden opent op het gebied van materiaalanalyse en gegevensverwerkingstechnologieën.
Onderzoekers Koichiro Yaji en Shunsuke Tsuda van het National Institute for Materials Science in Japan hebben een verbeterd type microscoop ontwikkeld die belangrijke aspecten van elektronenspintoestanden in materialen kan visualiseren. Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science and Technology of Advanced Materials:Methods .
De kwantummechanische eigenschap van elektronen, spin genoemd, is complexer dan de spin van objecten in onze dagelijkse wereld, maar houdt ermee verband als maatstaf voor het impulsmoment van een elektron. De spintoestanden van elektronen kunnen een aanzienlijke impact hebben op het elektronische en magnetische gedrag van de materialen waarvan ze deel uitmaken.
De door Yaji en Tsuda ontwikkelde technologie staat bekend als beeldvormende spin-opgeloste foto-emissiemicroscopie (iSPEM). Het maakt gebruik van de interactie van licht met de elektronen in een materiaal om de relatieve uitlijning van de elektronenspins te detecteren. Het is vooral gericht op elektronenspinpolarisatie:de mate waarin elektronenspins collectief in een specifieke richting zijn uitgelijnd.
De iSPEM-machine van het team bestaat uit drie onderling verbonden ultrahoogvacuümkamers voor het voorbereiden en analyseren van het monster. Elektronen worden door het monster geëmitteerd door lichtenergie te absorberen, door het apparaat versneld en vervolgens geanalyseerd door interactie met een spinfilterkristal. De resultaten worden weergegeven als afbeeldingen die experts kunnen gebruiken om de nodige informatie over de elektronenspintoestanden in het monster te verzamelen.
"Vergeleken met conventionele machines verbetert onze iSPEM-machine de efficiëntie van de data-acquisitie drastisch met tienduizend keer, met een meer dan tien keer betere ruimtelijke resolutie", zegt Yaji. "Dit biedt enorme mogelijkheden voor het karakteriseren van de elektronische structuur van microscopische materialen en apparaten op voorheen ontoegankelijke niveaus in het submicrometergebied."
Deze vooruitgang zou verbeteringen kunnen bevorderen bij het gebruik van elektronenspintoestanden in informatieverwerking en andere elektronische apparaten, als onderdeel van het zich snel ontwikkelende veld dat bekend staat als spintronica. In spintronica-toepassingen wordt de spintoestand van elektronen gebruikt om informatie op te slaan en te verwerken, naast het traditionele gebruik van elektrische lading.
“Dit zou kunnen leiden tot energiezuinigere en snellere elektronische apparaten, waaronder kwantumcomputers”, zegt Yaji. Het toepassen van de subtiliteiten van kwantummechanisch gedrag op computers staat voorop bij pogingen om rekenkracht naar een ander niveau te tillen, maar tot nu toe zijn de meeste vorderingen beperkt gebleven tot mysterieuze demonstraties in plaats van tot praktische toepassingen. Het beheersen van het begrip, de controle en de visualisatie van elektronenspin zou een belangrijke stap voorwaarts kunnen zijn.
"We zijn nu van plan onze machine te gebruiken om de mogelijkheden te onderzoeken voor het ontwikkelen van een nieuwe generatie op elektronenspin gebaseerde apparaten, omdat we hiermee de eigenschappen kunnen onderzoeken van kleine en structureel complexe monsters die voorheen aan het zicht waren onttrokken", besluit Yaji. P>