《Ultramicroscopy》：Detecting Magnon-Phonon Coupling in Yttrium Iron Garnet with Variable Temperature STEM-EELS
亚历山大·赖夫斯奈德（Alexander Reifsnyder）| 穆罕默德·纳瓦尔（Mohammed Nawwar）| 朱敏月（Minyue Zhu）| 约瑟夫·赫雷曼斯（Joseph Heremans）| 乔丹·A·哈赫特尔（Jordan A. Hachtel）| 大卫·W·麦科姆（David W. McComb）
美国俄亥俄州立大学材料科学与工程系，地址：140 W. 19th Avenue, 哥伦布，OH 43210
摘要
近年来，磁振子（magnons）作为磁有序材料中自旋波激发的量子，已被视为多项潜在变革性技术的候选者。宏观技术（如中子散射或拉曼光谱）可用于识别和分析磁振子，但提供的关于样品的信息相对较为分散。理解材料的键合结构和局部结构如何与磁振子相互作用并影响其分布，是实现磁振子实际应用的关键步骤。通过结合扫描透射电子显微镜（STEM）的空间分辨率和单色电子能量损失光谱（EELS）的能量分辨率，可以进行纳米级别的磁振子分析。尽管磁振子与电子束的相互作用较弱，使得在合理的时间尺度内进行磁振子EELS测量具有挑战性，但可以利用磁振子与声子的耦合来通过声子来研究磁振子。在本研究中，我们研究了钇铁石榴石（YIG）薄片，并观察到声子频率的非线性温度依赖性变化，这与先前描述的磁振子-声子耦合效应一致。能够在单个纳米级薄片中高精度地测量振动频率的温度依赖性，证明了利用STEM以前所未有的空间分辨率研究磁振子-声子耦合的能力。
部分内容摘录
背景
磁振子与声子类似，都是用于描述材料中集体激发的准粒子。声子是晶格振动的量子，而磁振子则是磁有序晶格中自旋波的量子。近年来，磁振子已被确认为多项潜在变革性技术的基础，从无欧姆损耗的信息传输到非布尔逻辑门[1]。除了在下一代技术中的重要性外，磁振子还起着核心作用。
材料与方法
粉末样品是通过超声处理YIG粉末（斯坦福材料公司提供）制备的。样品在室温下用40 kHz的频率在乙醇中超声处理30分钟，然后滴涂到带有碳涂层的MEMS加热芯片（Protochips）上并风干。
单晶薄片是通过FIB铣削单晶（MTI Crystals）制备的。提供的单晶具有抛光的（111）面，且晶体安装时抛光面平行于……
结果与讨论
YIG的晶体结构和声子谱分别如图1A和图1B所示。由于YIG系统的复杂性以及EELS选择规则的复杂性，模式分配颇具挑战性。我们的方法采用了轴向EELS，仅从显微镜光轴中心的亮场区域收集数据。传统上，这里的测量主要受到偶极散射的影响，仅能探测到接近……的红外活性振动模式。
结论与未来工作
本研究表明，采用常规轴向采集模式的STEM-EELS可以检测到YIG中的磁振子-声子耦合，其结果与现有技术得到的结果高度吻合。该项目还表明，仅通过比较两个静态温度可能不足以确定磁振子-声子耦合的存在，因为不同样品之间的声子能量存在差异。如“结果与讨论”部分所述，这可能是由于对少量数据的平均所致。
作者贡献声明
亚历山大·赖夫斯奈德（Alexander Reifsnyder）：撰写初稿、可视化处理、验证。穆罕默德·纳瓦尔（Mohammed Nawwar）：撰写、审稿与编辑、方法论研究、概念构思。朱敏月（Minyue Zhu）：撰写、审稿与编辑。约瑟夫·赫雷曼斯（Joseph Heremans）：撰写、审稿与编辑、概念构思。乔丹·A·哈赫特尔（Jordan A. Hachtel）：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、概念构思。大卫·W·麦科姆（David W. McComb）：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、方法论研究、资金提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究主要得到了俄亥俄州立大学新兴材料中心的支持，该中心属于NSF MRSEC项目，项目编号为DMR-2011876。
所有EELS测量数据均作为用户提案的一部分，在美国能源部科学办公室下属的纳米相材料科学中心进行，使用的是UT-Battelle, LLC提供的ORNL材料表征核心设施中的仪器设备，合同编号为DE-AC05-00OR22725，该项目得到了……的支持。
