Vorteile der Untersuchung von Elektronenspinzuständen mit viel höherer Auflösung und Effizienz

Elektronenspinzustände können jetzt mit viel höherer Auflösung und effizienter untersucht werden, was neue Möglichkeiten in der Materialanalyse und Datenverarbeitungstechnologien eröffnet.

Die Forscher Koichiro Yaji und Shunsuke Tsuda vom National Institute for Materials Science in Japan haben einen verbesserten Mikroskoptyp entwickelt, der wichtige Aspekte der Elektronenspinzustände in Materialien sichtbar machen kann. Ihr Studium ist veröffentlicht im Tagebuch Wissenschaft und Technologie fortschrittlicher Materialien: Methoden.

Die quantenmechanische Eigenschaft von Elektronen, Spin genannt, ist komplexer als der Spin von Objekten in unserer Alltagswelt, steht aber in Zusammenhang mit ihm als Maß für den Drehimpuls eines Elektrons. Die Spinzustände von Elektronen können einen erheblichen Einfluss auf das elektronische und magnetische Verhalten der Materialien haben, aus denen sie bestehen.

Die von Yaji und Tsuda entwickelte Technologie ist als bildgebende spinaufgelöste Photoemissionsmikroskopie (iSPEM) bekannt. Es nutzt die Wechselwirkung von Licht mit den Elektronen in einem Material, um die relative Ausrichtung der Elektronenspins zu ermitteln. Es konzentriert sich insbesondere auf die Elektronenspinpolarisation – das Ausmaß, in dem Elektronenspins gemeinsam in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind.

Die iSPEM-Maschine des Teams besteht aus drei miteinander verbundenen Ultrahochvakuumkammern zur Vorbereitung und Analyse der Probe. Elektronen werden durch Absorption von Lichtenergie aus der Probe emittiert, durch das Gerät beschleunigt und dann durch Wechselwirkung mit einem Spinfilterkristall analysiert. Die Ergebnisse werden als Bilder angezeigt, anhand derer Experten die notwendigen Informationen über die Elektronenspinzustände in der Probe gewinnen können.

„Im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen verbessert unsere iSPEM-Maschine die Effizienz der Datenerfassung drastisch um das Zehntausendfache, mit einer mehr als zehnfachen Verbesserung der räumlichen Auflösung“, sagt Yaji. „Dies bietet enorme Möglichkeiten zur Charakterisierung der elektronischen Struktur mikroskopischer Materialien und Geräte auf bisher unzugänglichen Ebenen im Submikrometerbereich.“

Dieser Fortschritt könnte Verbesserungen bei der Nutzung von Elektronenspinzuständen in der Informationsverarbeitung und anderen elektronischen Geräten als Teil des sich schnell entwickelnden Bereichs der Spintronik fördern. In Spintronikanwendungen wird zusätzlich zur herkömmlichen Nutzung elektrischer Ladung der Spinzustand von Elektronen zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen genutzt.

„Dies könnte zu energieeffizienteren und schnelleren elektronischen Geräten führen, einschließlich Quantencomputern“, sagt Yaji. Die Anwendung der Feinheiten des quantenmechanischen Verhaltens auf Computer steht im Vordergrund der Bemühungen, die Rechenleistung auf ein neues Niveau zu heben, aber bisher beschränkten sich die meisten Fortschritte eher auf obskure Demonstrationen als auf praktische Anwendungen. Die Beherrschung des Verständnisses, der Kontrolle und der Visualisierung des Elektronenspins könnte ein bedeutender Fortschritt sein.

„Wir planen nun, mit unserer Maschine die Möglichkeiten zur Entwicklung einer neuen Generation elektronenspinbasierter Geräte zu untersuchen, da wir damit die Eigenschaften winziger und strukturell komplexer Proben untersuchen können, die zuvor dem Blick verborgen blieben“, schließt Yaji.