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突破性成像方法捕捉自旋波的动态
布鲁克海文国家实验室领导的团队的新方法可能会推动几种新兴计算技术的发展
2025 年 2 月 12 日
纽约州厄普顿— 下一代节能微电子设备和信息处理技术的一个主要类别可能基于“自旋电子学”(spintronics,)，它利用电子的电荷和自旋——每个电子携带的微小的“向上”或“向下”磁矩。现在，自旋电子学中一个相对较新的分支学科已经出现，称为磁振子学，它利用自旋的集体行为，即自旋波或磁振子。
为了推动磁子学的发展，研究人员对于磁性材料中的自旋波还有很多需要学习的地方。一个挑战是如何最有效地在十亿分之一米或纳米级上对自旋波进行成像，因为当前的显微镜技术对自旋的灵敏度不够高，速度也不够“快”，无法真正对在极短时间尺度上发生的磁振子行为进行成像。
然而现在，美国的一组研究人员美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室已经开发出一种使用与微波技术相结合的电子显微镜对高度压缩的自旋波进行实时成像的方法。他们的工作对于电子显微镜和磁子学领域来说是一个重大突破。它是在 2025年27日顶级期刊《自然材料》期刊 Jan 中描述的。
“我们的成像装置确实具有创新性，让我们能够以无与伦比的高空间和时间分辨率直接观察自旋波行为，”该论文的第一作者、博士生刘楚航说道。他是石溪大学物理与天文学系的学生，目前正在布鲁克海文进行论文研究。 “这是第一次利用电子显微镜观察到自旋波。”
这项研究开辟了磁振子研究及其他领域的新前沿；诸如此类的“超快”成像技术的发展对于神经形态计算领域的发展至关重要，研究人员试图在以更快的速度运行的同时复制人类大脑的能源效率和并行处理能力。在人脑中，神经元处理和传递信息，而突触连接神经元并促进信号通过神经递质的传递，从而实现学习和记忆的形成。
“我们研究的最终目标，以及神经形态计算的最终目标，是理解和实现人工系统类似大脑的功能，”刘的导师、布鲁克海文高级物理学家朱一梅说道，他是该论文的通讯作者，也是该项目的发起人。
磁性材料中的自旋波
探测自旋态和自旋波并学习如何控制它们，对于现代和未来技术（例如节能计算、高级存储器和量子设备）的发展至关重要。自旋电子学和磁子学最大限度地减少了传统设备中与电荷电流相关的能量损失，并实现了更快的信号处理。
在这项工作中，该团队利用光刻图案和微波技术在坡莫合金薄膜中创建并稳定了独特的拓扑磁结构。这些薄膜包含“自旋涡旋”，即自旋以圆形、涡旋状图案卷曲的局部区域，“反涡旋”具有相反自旋手性，以及连接它们的各种类型的磁畴壁。
研究小组通过天线向样品施加射频电信号，从而激发自旋。从这里，研究小组能够观察到自旋波的产生、传播、反射和干涉。研究表明自旋波优先在反涡旋中形成，同时表明自旋波发射与特定畴壁的振荡运动有关。这些发现为磁子系统中自旋波的形成和传输机制提供了宝贵的见解，促进了科学家对节能信号处理的理解以及如何利用这些机制来开发新技术。
电子显微镜的另一项首创：自旋波动力学成像
二十年前，朱和他的团队在布鲁克海文购买了美国第一台专用的洛伦兹透射电子显微镜 (LTEM)，用于对磁性材料和薄膜中的自旋结构进行成像。在 LTEM 中，穿过磁性样品的电子束由于与样品中的自旋相互作用而发生反射，从而产生洛伦兹力。通过分析电子束的偏转，可以对磁结构和自旋态及其动态进行成像和研究。
2014年，布鲁克海文开发了自旋波成像的概念。该团队将 LTEM 与微波频率介导的超快电子脉冲发生器结合在一起，该装置无需使用脉冲激光即可在透射电子显微镜 (TEM) 中产生皮秒电子束。该脉冲器最初是在美国能源部小型企业创新研究经费的支持下，与小型加速器技术公司 Euclid Techlabs, LLC 合作开发的。该项进展荣获2019年R&D 100奖和2020年显微镜创新奖，在电子显微镜领域获得了广泛关注和认可。
然而，捕捉自旋波动态的能力代表着一个新的成就水平，因为以每帧几皮秒（万亿分之一秒）的速度对弱自旋信号进行成像极具挑战性。
“这需要开发先进的硬件和软件，例如单电子敏感的超快速检测系统和复杂的计算算法，以精确同步数据采集和对齐数百个亚微米级图像——这项任务比大海捞针更艰巨，”布鲁克海文物理学家、论文合著者斯宾塞·雷斯比克解释说。
经过不懈努力，该团队成功实现了受控微波激发产生自旋波并精确捕捉其动态行为。
这项工作还强调了电触发对于实际应用的关键重要性，因为超快研究传统上依赖光激发进行基础研究。纯电激发复制了生物突触中发现的基于电尖峰的信号，这是模仿神经网络行为的基本特征。
朱说：“我们的工作开辟了电子显微镜的新领域，提供了前所未有的纳米级磁振子动力学视图。” “在 TEM 中引入微波成像是一项重大突破，因为现代无线技术和量子量子比特在千兆赫频率下运行。通过将高频电激励与成像相结合，我们的目标是弥合基础研究与实际应用之间的差距。”
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。薄膜的光刻图案化是在位于布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施功能纳米材料中心进行的。
布鲁克海文国家实验室得到美国科学办公室的支持。能源部。科学办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。
布鲁克海文研究团队成员在 Lorentz 透射电子显微镜旁边：Yimei Zhu、Alex Pofelski、Myung-Geun Han 和 Fernando Camino（后排）；斯宾塞·雷斯贝克（中）；和刘楚航（前）。 （凯文·考夫林/布鲁克海文国家实验室）
作者：Laura Mgrdichian-West
美国能源部科学办公室
朱宜梅
先进材料中的纳米结构与结构缺陷，凝聚态物理与材料科学学科带头人
研究兴趣
朱的研究兴趣集中在理解强关联量子材料的纳米到原子尺度现象和先进的电子显微镜。他的主要研究目标是探测电荷、轨道、自旋和晶格相关性及其自由度、结构-性质关系，以及超高空间、时间和能量分辨率的界面和缺陷。为了实现目标并保持在该领域的领先地位，他和他的团队开发并实施了电子显微镜仪器和方法。朱先生在仪器开发方面的经验包括无激光超快电子显微镜、提高样品环境能力的各个阶段、原子分辨率下的表面和体积同时成像以及采用加速器技术的 MeV 超快电子衍射 (UED) 和显微镜 (UEM)。 他在定量显微镜方面的专业知识包括使用电子衍射进行价电子映射、像差校正原子成像、能量损失光谱、电子全息术、洛伦兹显微镜、超快电子显微镜和超导体、多铁性材料、拓扑二维磁体以及量子和能量材料中的低温原位显微镜。
教育
1986-87，化学系，研究员物理学与数学系弗吉尼亚大学材料科学系，导师：教授多丽丝·库尔曼-威尔斯多夫（Doris Kuhlmann-Wilsdorf），美国国家工程院院士。
1982-87，硕士(1984) & 博士 (1987)，材料物理学，名古屋大学，日本，导师：Prof.井村彻，日本国立文学院院士。
1977-81，理学学士上海交通大学材料科学与应用物理学，上海，中国。
专业任命
2019 – 高级顾问，BNL 功能纳米材料中心
2002 – ，高级物理学家，BNL 电子显微镜和先进材料纳米结构组长
2006 – ，BNL 先进电子显微镜研究所项目主任
2002 – 2010 年，BNL 功能纳米材料中心设施负责人兼联合创始人
1997 – 2002，终身科学家，组长，化学系应用程序。科学。 / 垫。科学，BNL
1993 – 1997，化学系，科学家应用科学，BNL
1990 – 1993，化学系，副研究员应用科学，BNL
1988 – 1990年，化学系，助理研究员应用科学，BNL
兼职教授，系纽约州立大学石溪分校化学系（2012 -）物理学和石溪大学天文学系 (2002 - )哥伦比亚大学应用物理与数学系（2002-）的 Mat。科学。与工程，石溪大学
咨询委员会
康奈尔大学国家科学基金会明亮光束科学技术中心顾问委员会 (2018 - )。
加州大学洛杉矶分校美国国家科学基金会纳米多铁性系统转化应用中心顾问委员会主席 (2013 - )。
阿贡国家实验室纳米材料中心科学顾问委员会 (2020 – )。
外部咨询委员会，DOE-EFRC“操纵原子排序以制造半导体”（2022-）；
英国相对论超快电子衍射和成像设备 (RUEDI) 国际科学顾问委员会 (2021-)。
专利
具有光学特征的透射电子显微镜支架美国专利，专利号： 8143593（2012 年 3 月授予），M. Milas、Yimei Zhu 和 J.D.分支
用于离子和光电子显微镜的带有光激发的样品台和腔室的美国专利，专利号： 8497487（2013 年 7 月授予），M. Milas 和 Yimei Zhu，J.D.分支
美国专利“GHz 速率高占空比脉冲和低能和中能直流电子束操控装置”，专利号： US 9697982（2016 年 10 月授予），S. Baryshev、J. Qiu、C. Jing、S. Antipov、J. Lau 和 Y. Zhu。
美国专利（临时）：“用于以 MHz 和 GHz 速率成像的频闪透射电子显微镜”，（编号 62/236,567，已提交），S. Baryshev、J. Qiu、J. Lau 和 Y. Zhu。
美国专利“超宽带连续可调谐电子束脉冲器”，专利号： US 10,319,556 B2，授予日期：2019 年 6 月 11 日，C. Jing、J. Qiu、S.V. Baryshev、J. Lau 和 Y. Zhu。
美国专利，专利号：US 11,410,829 B1，“带有低温冷却和宽带射频辐射的 TEM 样品架”，发明人：C. Jing、S. Ross、R. Kostin 和 Y. Zhu，专利颁发日期：8 月9，2022年。
奖项与表彰
当选为 APS、AAAS、MRS、MSA（首届）和 MAS 院士；
彼得·邓肯布奖，微分析学会最高荣誉（2021 年）；
2020 年利用加速器技术开发超快电子显微镜电子脉冲发生器荣获美国显微镜学会《今日显微镜》创新奖（2020 年）
美国显微镜学会 MSA 理事会服务奖（2020 年）
美国显微镜学会物理科学主任
因开发用于超快电子显微镜的经济型无激光可改装频闪解决方案而荣获 2019 年 R&D 100 奖，《R&D World》杂志（2019 年）
2019 年基于紧凑型四极杆的 MeV 超快电子显微镜开发创新奖，《MicroscopyToday》杂志，美国显微镜学会（2019 年）
美国国家发明家科学院院士 (2019)
中华人民共和国国务院国际科学技术奖（2018年）
美国显微镜学会杰出科学家奖，该学会最高荣誉（2018 年）
中国科学院金属研究所李薰讲座奖（2018）
中国科学院国际合作奖（2017）
杰出亚裔美国人奖，由萨福克县长 S. Bellone 和纽约州长 A. Cuomo 颁发（2015 年）
日本文部省、仙台东北大学世界顶级学院客座教授（2013年）
中国厦门大学南强记忆讲座奖（2013年）
2011 年 R&D 100 奖，“多模态光学纳米探针” R&D 杂志 (2011)
创新奖，MicroscopyToday，因开发出一种创新的原位光电显微镜方法而获得，美国显微镜学会（2011 年）
创新奖，MicroscopyToday，因开发出一种表面和块体材料超高分辨率原子成像的创新方法而获得，美国显微镜学会（2010 年）
布鲁克海文国家实验室杰出科学技术奖（2003年）
BNL 能源、环境与国家安全项目发展奖 (2001)
能源部基础能源科学 Chunky Bullet 竞赛奖（2001 年）
国际电子显微镜学会联合会 Kazuo 奖，ICEM-11，京都（1986 年）
中日政府奖学金，教育部（1982-1987）
中国首届全国出国研究生奖学金竞赛（1981年）