布魯克海文國家實驗室中國科學家領導的團隊重大突破可推動新計術

布魯克海文國家實驗室領導的團隊的新方法可能會推動幾種新興計算技術的發展

2025 年 2 月 12 日

為了推動磁子學的發展，研究人員對於磁性材料中的自旋波還有很多需要學習的地方。一個挑戰是如何最有效地在十億分之一米或納米級上對自旋波進行成像，因為當前的顯微鏡技術對自旋的靈敏度不夠高，速度也不夠「快」，無法真正對在極短時間尺度上發生的磁振子行為進行成像。

然而現在，美國的一組研究人員美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室已經開發出一種使用與微波技術相結合的電子顯微鏡對高度壓縮的自旋波進行實時成像的方法。他們的工作對於電子顯微鏡和磁子學領域來說是一個重大突破。它是在 2025年27日頂級期刊《自然材料》期刊 Jan 中描述的。

「我們的成像裝置確實具有創新性，讓我們能夠以無與倫比的高空間和時間解析度直接觀察自旋波行為，」該論文的第一作者、博士生劉楚航說道。他是石溪大學物理與天文學系的學生，目前正在布魯克海文進行論文研究。 「這是第一次利用電子顯微鏡觀察到自旋波。」

這項研究開闢了磁振子研究及其他領域的新前沿；諸如此類的「超快」成像技術的發展對於神經形態計算領域的發展至關重要，研究人員試圖在以更快的速度運行的同時複製人類大腦的能源效率和并行處理能力。在人腦中，神經元處理和傳遞信息，而突觸連接神經元並促進信號通過神經遞質的傳遞，從而實現學習和記憶的形成。

「我們研究的最終目標，以及神經形態計算的最終目標，是理解和實現人工系統類似大腦的功能，」劉的導師、布魯克海文高級物理學家朱一梅說道，他是該論文的通訊作者，也是該項目的發起人。

磁性材料中的自旋波

探測自旋態和自旋波並學習如何控制它們，對於現代和未來技術（例如節能計算、高級存儲器和量子設備）的發展至關重要。自旋電子學和磁子學最大限度地減少了傳統設備中與電荷電流相關的能量損失，並實現了更快的信號處理。

在這項工作中，該團隊利用光刻圖案和微波技術在坡莫合金薄膜中創建並穩定了獨特的拓撲磁結構。這些薄膜包含「自旋渦旋」，即自旋以圓形、渦旋狀圖案捲曲的局部區域，「反渦旋」具有相反自旋手性，以及連接它們的各種類型的磁疇壁。

研究小組通過天線向樣品施加射頻電信號，從而激發自旋。從這裡，研究小組能夠觀察到自旋波的產生、傳播、反射和干涉。研究表明自旋波優先在反渦旋中形成，同時表明自旋波發射與特定疇壁的振蕩運動有關。這些發現為磁子系統中自旋波的形成和傳輸機制提供了寶貴的見解，促進了科學家對節能信號處理的理解以及如何利用這些機制來開發新技術。

電子顯微鏡的另一項首創：自旋波動力學成像

二十年前，朱和他的團隊在布魯克海文購買了美國第一台專用的洛倫茲透射電子顯微鏡 (LTEM)，用於對磁性材料和薄膜中的自旋結構進行成像。在 LTEM 中，穿過磁性樣品的電子束由於與樣品中的自旋相互作用而發生反射，從而產生洛倫茲力。通過分析電子束的偏轉，可以對磁結構和自旋態及其動態進行成像和研究。

2014年，布魯克海文開發了自旋波成像的概念。該團隊將 LTEM 與微波頻率介導的超快電子脈衝發生器結合在一起，該裝置無需使用脈衝激光即可在透射電子顯微鏡 (TEM) 中產生皮秒電子束。該脈衝器最初是在美國能源部小型企業創新研究經費的支持下，與小型加速器技術公司 Euclid Techlabs, LLC 合作開發的。該項進展榮獲2019年R&D 100獎和2020年顯微鏡創新獎，在電子顯微鏡領域獲得了廣泛關注和認可。

然而，捕捉自旋波動態的能力代表著一個新的成就水平，因為以每幀幾皮秒（萬億分之一秒）的速度對弱自旋信號進行成像極具挑戰性。

「這需要開發先進的硬體和軟體，例如單電子敏感的超快速檢測系統和複雜的計算演算法，以精確同步數據採集和對齊數百個亞微米級圖像——這項任務比大海撈針更艱巨，」布魯克海文物理學家、論文合著者斯賓塞·雷斯比克解釋說。

經過不懈努力，該團隊成功實現了受控微波激發產生自旋波並精確捕捉其動態行為。

這項工作還強調了電觸發對於實際應用的關鍵重要性，因為超快研究傳統上依賴光激發進行基礎研究。純電激發複製了生物突觸中發現的基於電尖峰的信號，這是模仿神經網路行為的基本特徵。

朱說：「我們的工作開闢了電子顯微鏡的新領域，提供了前所未有的納米級磁振子動力學視圖。」 「在 TEM 中引入微波成像是一項重大突破，因為現代無線技術和量子量子比特在千兆赫頻率下運行。通過將高頻電激勵與成像相結合，我們的目標是彌合基礎研究與實際應用之間的差距。」

這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。薄膜的光刻圖案化是在位於布魯克海文的美國能源部科學辦公室用戶設施功能納米材料中心進行的。

布魯克海文國家實驗室得到美國科學辦公室的支持。能源部。科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大支持者，致力於解決我們這個時代最緊迫的一些挑戰。

美國能源部科學辦公室

朱宜梅

先進材料中的納米結構與結構缺陷，凝聚態物理與材料科學學科帶頭人

研究興趣

朱的研究興趣集中在理解強關聯量子材料的納米到原子尺度現象和先進的電子顯微鏡。他的主要研究目標是探測電荷、軌道、自旋和晶格相關性及其自由度、結構-性質關係，以及超高空間、時間和能量解析度的界面和缺陷。為了實現目標並保持在該領域的領先地位，他和他的團隊開發並實施了電子顯微鏡儀器和方法。朱先生在儀器開發方面的經驗包括無激光超快電子顯微鏡、提高樣品環境能力的各個階段、原子解析度下的表面和體積同時成像以及採用加速器技術的 MeV 超快電子衍射 (UED) 和顯微鏡 (UEM)。 他在定量顯微鏡方面的專業知識包括使用電子衍射進行價電子映射、像差校正原子成像、能量損失光譜、電子全息術、洛倫茲顯微鏡、超快電子顯微鏡和超導體、多鐵性材料、拓撲二維磁體以及量子和能量材料中的低溫原位顯微鏡。

教育

1986-87，化學系，研究員物理學與數學系弗吉尼亞大學材料科學系，導師：教授多麗絲·庫爾曼-威爾斯多夫（Doris Kuhlmann-Wilsdorf），美國國家工程院院士。

1982-87，碩士(1984) & 博士 (1987)，材料物理學，名古屋大學，日本，導師：Prof.井村徹，日本國立文學院院士。

1977-81，理學學士上海交通大學材料科學與應用物理學，上海，中國。

專業任命

2019 – 高級顧問，BNL 功能納米材料中心

2002 – ，高級物理學家，BNL 電子顯微鏡和先進材料納米結構組長

2006 – ，BNL 先進電子顯微鏡研究所項目主任

2002 – 2010 年，BNL 功能納米材料中心設施負責人兼聯合創始人

1997 – 2002，終身科學家，組長，化學系應用程序。科學。 / 墊。科學，BNL

1993 – 1997，化學系，科學家應用科學，BNL

1990 – 1993，化學系，副研究員應用科學，BNL

1988 – 1990年，化學系，助理研究員應用科學，BNL

兼職教授，系紐約州立大學石溪分校化學系（2012 -）物理學和石溪大學天文學系 (2002 - )哥倫比亞大學應用物理與數學系（2002-）的 Mat。科學。與工程，石溪大學

諮詢委員會

康奈爾大學國家科學基金會明亮光束科學技術中心顧問委員會 (2018 - )。

加州大學洛杉磯分校美國國家科學基金會納米多鐵性系統轉化應用中心顧問委員會主席 (2013 - )。

阿貢國家實驗室納米材料中心科學顧問委員會 (2020 – )。

外部諮詢委員會，DOE-EFRC「操縱原子排序以製造半導體」（2022-）；

英國相對論超快電子衍射和成像設備 (RUEDI) 國際科學顧問委員會 (2021-)。

專利

具有光學特徵的透射電子顯微鏡支架美國專利，專利號： 8143593（2012 年 3 月授予），M. Milas、Yimei Zhu 和 J.D.分支

用於離子和光電子顯微鏡的帶有光激發的樣品台和腔室的美國專利，專利號： 8497487（2013 年 7 月授予），M. Milas 和 Yimei Zhu，J.D.分支

美國專利「GHz 速率高占空比脈衝和低能和中能直流電子束操控裝置」，專利號： US 9697982（2016 年 10 月授予），S. Baryshev、J. Qiu、C. Jing、S. Antipov、J. Lau 和 Y. Zhu。

美國專利（臨時）：「用於以 MHz 和 GHz 速率成像的頻閃透射電子顯微鏡」，（編號 62/236,567，已提交），S. Baryshev、J. Qiu、J. Lau 和 Y. Zhu。

美國專利「超寬頻連續可調諧電子束脈衝器」，專利號： 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。

美國專利，專利號：US 11,410,829 B1，「帶有低溫冷卻和寬頻射頻輻射的 TEM 樣品架」，發明人：C. Jing、S. Ross、R. Kostin 和 Y. Zhu，專利頒發日期：8 月9，2022年。

獎項與表彰

當選為 APS、AAAS、MRS、MSA（首屆）和 MAS 院士；

彼得·鄧肯布獎，微分析學會最高榮譽（2021 年）；

2020 年利用加速器技術開發超快電子顯微鏡電子脈衝發生器榮獲美國顯微鏡學會《今日顯微鏡》創新獎（2020 年）

美國顯微鏡學會 MSA 理事會服務獎（2020 年）

美國顯微鏡學會物理科學主任

因開發用於超快電子顯微鏡的經濟型無激光可改裝頻閃解決方案而榮獲 2019 年 R&D 100 獎，《R&D World》雜誌（2019 年）

2019 年基於緊湊型四極桿的 MeV 超快電子顯微鏡開發創新獎，《MicroscopyToday》雜誌，美國顯微鏡學會（2019 年）

美國國家發明家科學院院士 (2019)

中華人民共和國國務院國際科學技術獎（2018年）

美國顯微鏡學會傑出科學家獎，該學會最高榮譽（2018 年）

中國科學院金屬研究所李薰講座獎（2018）

中國科學院國際合作獎（2017）

傑出亞裔美國人獎，由薩福克縣長 S. Bellone 和紐約州長 A. Cuomo 頒發（2015 年）

日本文部省、仙台東北大學世界頂級學院客座教授（2013年）

中國廈門大學南強記憶講座獎（2013年）

2011 年 R&D 100 獎，「多模態光學納米探針」 R&D 雜誌 (2011)

創新獎，MicroscopyToday，因開發出一種創新的原位光電顯微鏡方法而獲得，美國顯微鏡學會（2011 年）

創新獎，MicroscopyToday，因開發出一種表面和塊體材料超高解析度原子成像的創新方法而獲得，美國顯微鏡學會（2010 年）

布魯克海文國家實驗室傑出科學技術獎（2003年）

BNL 能源、環境與國家安全項目發展獎 (2001)

能源部基礎能源科學 Chunky Bullet 競賽獎（2001 年）

國際電子顯微鏡學會聯合會 Kazuo 獎，ICEM-11，京都（1986 年）

中日政府獎學金，教育部（1982-1987）

中國首屆全國出國研究生獎學金競賽（1981年）