Sandwichstruktur nøglen til tynde LSMO-film, der bevarer magnetiske egenskaber

Forskere ved North Carolina State University har fundet ud af, at det keramiske oxidmateriale lanthanum strontium manganit (LSMO) bevarer sine magnetiske egenskaber i atomisk tynde lag, hvis det "sandwiches" mellem to lag af et andet keramisk oxid, lanthan strontium chromoxid (LSCO). Resultaterne har implikationer for fremtidig brug af LSMO i spintronic-baserede computere og lagerenheder.

I sin bulkform har LSMO både magnetiske og metalliske egenskaber. Materialets ledningsevne kan ændres ved at ændre dets magnetfelt, hvilket gør LSMO attraktiv til brug som switch i spintronic-enheder. Imidlertid, når materialet bliver til en vis tyndhed – mellem fem og 10 atomlag – mister det disse egenskaber.

Guddommelige Kumah, assisterende professor i fysik ved NC State og tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver arbejdet, ønskede at vide, hvorfor LSMO mister sine magnetiske egenskaber ved en bestemt tyndhed, og at finde en måde at gøre LSMO magnetisk i tynd form.

Kumah, med kolleger og kandidatstuderende fra NC State, først voksede tynde film af LSMO på strontiumtitanat - et ikke-magnetisk substrat, der almindeligvis bruges som et neutralt stillads. Holdet dyrkede film fra to til 10 atomlag tykke og testede dem for magnetiske egenskaber.

Næste, holdet brugte synkrotron-lyskilden på Argonne National Laboratory, så de kunne få et tredimensionelt billede af arrangementet af atomerne i de tynde lag af LSMO. De fandt ud af, at ved ekstrem tyndhed, ilt- og manganatomerne bevægede sig lidt ud af justering på materialets overflade, effektivt slukker dens magnetisme.

"Ved omkring fem atomlag så vi forvrængninger på overfladen af ​​laget og i bunden grænseflade med stilladset, " siger Kumah. "Oilt- og manganatomerne omarrangerer sig selv. Magnetisme og elektrisk ledningsevne i LSMO er relateret til, hvordan disse to atomer binder, så hvis der er polære forvrængninger i filmen, hvor de bevæger sig op og ned, båndene strækker sig, elektroner kan ikke bevæge sig gennem materialet effektivt, og magnetismen er slået fra."

Holdet bemærkede, at disse forvrængninger startede i toppen af ​​filmen og strakte sig cirka tre lag under overfladen.

"Vi fandt ud af, at forvrængningerne opstår, fordi krystalstrukturen skaber et elektrisk felt ved overfladen, " siger Kumah. "Oilt- og manganatomerne bevæger sig for at ophæve det elektriske felt. Vores udfordring var at dyrke noget ved grænsefladerne, der er kompatibelt med LSMO strukturelt, men som også er isolerende - så vi fjerner det elektriske felt, stoppe bevægelsen af ​​ilt- og manganatomerne og bevare magnetiske egenskaber."

Forskerne fandt ud af, at ved at bruge to lag LSCO på hver side af LSMO, LSMO kunne bevare sine magnetiske egenskaber ved to atomlag.

"Det er som en sandwich - LSCO er brødet og LSMO er kødet, " siger Kumah. "Du kan bruge færre end fem lag LSMO i dette arrangement uden nogen atomisk forskydning. Forhåbentlig har vores arbejde vist, at disse materialer kan være tynde nok til at være nyttige i spintronics-enheder."