Udforskning af overfladeegenskaberne af NiO med lavenergi elektrondiffraktion

Spintronics er et felt, der beskæftiger sig med elektronik, der udnytter elektronernes iboende spin og deres tilhørende magnetiske moment til applikationer såsom kvantecomputere og hukommelseslagringsenheder. På grund af dets spin og magnetisme udstillet i sin isolator-metal faseovergang, er de stærkt korrelerede elektronsystemer af nikkeloxid (NiO) blevet grundigt udforsket i mere end otte årtier. Interessen for dets unikke antiferromagnetiske (AF) og spin-egenskaber har oplevet en genoplivning på det seneste, da NiO er et potentielt materiale til ultrahurtige spintronics-enheder.

På trods af denne stigning i popularitet har udforskning af dets magnetiske overfladeegenskaber ved hjælp af lavenergi elektrondiffraktion (LEED) teknik ikke fået megen opmærksomhed siden 1970'erne. For at gennemgå forståelsen af ​​overfladeegenskaberne genbesøgte professor Masamitsu Hoshino og emeritusprofessor Hiroshi Tanaka, begge fra Institut for Fysik ved Sophia University, Japan, overfladens LEED-krystallografi af NiO.

Resultaterne af deres kvantitative eksperimentelle undersøgelse, der undersøger den sammenhængende udvekslingsspredning i Ni ²⁺ ioner i AF enkeltkrystal NiO blev rapporteret i The European Physical Journal D .

For undersøgelsen havde forskerne to hovedmål:at forbedre gamle eksperimentelle teknikker, der blev brugt til at dechifrere sammenhængende spinudvekslingsspredning af lavenergielektroner med Ni ²⁺ ioner af NiO og for at give en pålidelig teoretisk analyse ved hjælp af nyere teknikker.

De udførte først den kvantitative karakterisering af overfladeatomer af NiO-krystal ved hjælp af LEED-metoden. Dette gjorde det muligt for dem at udforske energiafhængigheden af ​​LEED for "halv-ordens stråle" intensitet via I-V spektre. Ved inspektion af I-V-kurven observerede forskerne en resonansforbedring, som blev tilskrevet overfladebølgeresonanseffekten (SWR).

Dette førte til, at holdet analyserede temperaturafhængigheden af ​​LEED ved den maksimale intensitet og overfladespinegenskaber under SWR-forhold - en tilstand, hvor udbredende diffrakterede stråler dukker op næsten parallelt med krystaloverfladen.

For at opbygge et robust teoretisk grundlag (for at tydeliggøre den teoretiske baggrund) brugte forskerne (den mere sofistikerede) LEED dynamisk teori til at fortolke de eksperimentelle resultater og afslørede klart SWR som observeret i I-V kurven. Temperaturafhængigheden målt over et bredt temperaturområde muliggjorde en mere kvantitativ sammenligning med konventionel molekylærfeltteori.

Denne undersøgelse lykkes ikke kun med at bekræfte tidligere eksperimentelle data om overflade-spin struktur og magnetiske egenskaber, men giver også for første gang et I-V-spektrum af en halvordens stråle, SWR-forholdene og temperaturafhængigheden over et bredt temperaturområde.

"I modsætning til ferromagnetiske materialer, der udviser magnetisme, er AF-materialer, som ikke udviser magnetiske egenskaber som angivet af deres spin-arrangement, blevet betragtet som 'ubrugelige materialer'. Men de bliver nu genfødt. Denne sætning bruges ofte nu, og sigt, ubrugelige materialer blev afledt af Néels Nobelprisforelæsning (1970),« siger forskerne, når de bliver spurgt om motivationen bag at gense NiO LEED-eksperimenter.

"Desuden er denne forskning på spidsen af ​​et klassisk og nyt forskningstema, der begyndte i 1970'erne gennem en personlig meddelelse fra nobelpristageren Prof. N.F. Mott er kendt for gennembrud i forskningen af ​​Mott-isolatorer såsom NiO, som bemærket i reference."

De kommenterede yderligere:"Denne forskning er specialiseret, fokuserer på akademiske og grundlæggende aspekter og er ikke beregnet til offentligheden, men kan snarere hjælpe med at belyse de fysiske og kemiske egenskaber ved lovende antiferromagnetiske materialer."

Flere oplysninger: Masamitus Hoshino et al., Kohærent spinudvekslingsspredning af lavenergielektroner af Ni2+ ioner i antiferromagnetisk krystal NiO under overfladebølgeresonans:eksperimentelle og teoretiske resultater gensyn, The European Physical Journal D (2023). DOI:10.1140/epjd/s10053-023-00773-8

Journaloplysninger: European Physical Journal D

Leveret af Sophia University