Når varme ophører med at være et mysterium, spintronics bliver mere ægte

Udviklingen af ​​spintronics afhænger af materialer, der garanterer kontrol over strømmen af ​​magnetisk polariserede strømme. Imidlertid, det er svært at tale om kontrol, når detaljerne i varmetransport gennem grænsefladerne mellem materialer er ukendte. Dette termiske hul i vores materielle viden er netop blevet udfyldt takket være et polsk-tysk team af fysikere, som nu detaljeret beskriver de dynamiske fænomener, der forekommer ved grænsefladen mellem et ferromagnetisk metal og en halvleder.

Spintronics er blevet foreslået som en efterfølger af elektronik. I spintronic -enheder, elektriske strømme erstattes af spinstrømme. Et lovende materiale til denne type anvendelse synes at være en heterostruktur af galliumarsenid/jernsilicid. For hver fjerde elektron, der passerer gennem denne grænseflade, så mange som tre har oplysninger om retningen af ​​det magnetiske moment. Indtil nu, imidlertid, lidt var kendt om de dynamiske egenskaber ved grænsefladen, som bestemmer varmestrømmen. Et samarbejde mellem Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) i Krakow, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Paul Drude Institut für Festkörperelektronik i Berlin og DESY forskningscenter i Hamborg har endelig bidraget til at lukke dette hul.

"Systemerne i Fe ₃ Si jernsilicid og GaAs galliumarsenid er specielle. De to materialer adskiller sig væsentligt i egenskaber:Det første er et meget godt ferromagnetisk materiale, den anden er en halvleder. På den anden side, gitterkonstanterne, dvs. karakteristiske afstande mellem atomer, adskiller sig kun med 0,2 procent i begge materialer, så de er næsten identiske. Som resultat, disse materialer kombineres godt, og der er ingen defekter eller betydelige belastninger i nærheden af ​​grænsefladen, "siger Dr. Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Den polske gruppe fokuserede på udarbejdelsen af ​​en teoretisk model af krystalgittervibrationer i den testede struktur. Computerprogrammet PHONON, skabt og udviklet i løbet af de sidste 20 år af prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), spillede en vigtig rolle her. Ved hjælp af kvantemekanikkens grundlove, interaktionskræfterne mellem atomer blev beregnet, og dette gav forskerne mulighed for at løse ligninger, der beskriver atomernes bevægelse i krystalnetværk.

Dr. Malgorzata Sternik (IFJ PAN), der udførte de fleste beregninger, forklarer:"I vores model, substratet er galliumarsenid, og dets yderste lag består af arsenatomer. Over det, der er skiftevis arrangeret jern-silicium og jernlag. Atomvibrationer er forskellige for en massiv krystal, og i nærheden af ​​grænsefladen. Det er derfor, vi har undersøgt, hvordan vibrationsspektret ændres afhængigt af afstanden fra grænsefladen. "

Atomernes dynamik i krystaller er ikke tilfældig. Krystallinske materialer er kendetegnet ved en rækkefølge med lang rækkevidde. Som en konsekvens, atomernes bevægelse er ikke kaotisk her, men følger bestemt, nogle gange meget komplekst, mønstre. Tværgående akustiske bølger er hovedsageligt ansvarlige for varmeoverførsel. Det betyder, at når man analyserer gitterdynamikken, forskerne var nødt til at være særlig opmærksom på de atomare vibrationer, der forekommer i planet parallelt med grænsefladen. Hvis atomernes vibrationsbølger i begge materialer blev matchet med hinanden, varme ville effektivt strømme gennem grænsefladen.

"Måling af spektret af atomvibrationer i ultratynde lag er en af ​​de store udfordringer inden for eksperimentel fysik i fast tilstand, "forklarer den førende videnskabsmand Dr. Svetoslav Stankov (KIT)." Takket være den fremragende ydeevne af synkrotronstrålingskilderne, vi er i stand, via nuklear uelastisk spredning, til direkte at måle energispektret for atomvibrationer i nanomaterialer med meget høj opløsning. I vores eksperiment, synkrotronstrålen var orienteret parallelt med grænsefladens plan. På denne måde, vi var i stand til at observere atomvibrationer parallelt med Fe ₃ Si/GaAs interface. Desuden, den eksperimentelle metode er elementspecifik, hvilket indebærer, at de opnåede data praktisk talt er fri for baggrund eller andre artefakter. "

Ge/Fe ₃ Si/GaAs prøver indeholdende forskellige antal Fe ₃ Si enkeltlag (3, 6, 8 og 36) blev forberedt på Paul Drude Institut für Festkörperelektronik af Jochen Kalt, en ph.d. studerende ved Karlsruhe Institute of Technology. Forsøget blev udført på Dynamics Beamline P01 af synkrotronstrålingskilden Petra III i Hamborg.

Det viste sig, at på trods af de samme gitterparametre for begge materialer, vibrationerne i grænsefladeatomerne adskiller sig drastisk fra dem i bulk. De første princippeberegninger var helt i tråd med de eksperimentelle observationer, gengivelse af de nye funktioner i energispektret for grænseflade atomvibrationer.

"Det næsten perfekte match mellem teori og eksperiment baner vejen mod grænseflade phonon nanoengineering, der vil føre til design af mere effektive termoelektriske heterostrukturer og vil stimulere yderligere fremskridt inden for termisk ledelse og nanofononik, "slutter Dr. Stankov.

Fe ₃ Si/GaAs interface har vist sig at være et perfekt modelsystem til at studere dynamiske og spintroniske grænsefladefænomener. I fremtiden planlægger forskerholdet at udvide dette arbejde til en bedre forståelse af dette lovende materiales elektroniske og magnetiske egenskaber.