当热量不再是一个谜,自旋电子学变得更加真实!

图库        2019-05-08   来源:言天聊史

自旋电子学的发展依赖于能够控制磁极化电流流动材料。然而当传热的细节在材料之间接口是未知的时候,谈论控制是困难的。我们材料知识中的这一热缺口刚刚被一个波兰-德国物理学家团队填补,他们现在详细描述了发生在铁磁金属和半导体之间的界面上的动态现象。自旋电子学被认为是电子学的继承者,在自旋电子器件中,电流被自旋电流所代替。砷化镓/硅化铁异质结构似乎是这种应用的一种有前途的材料。每四个电子通过这个界面,就有三个电子携带磁矩方向的信息。然而到目前为止,对于决定热流的界面的动态特性所知甚少。波兰科学院(IFJ PAN)核物理研究所(Cracow)、卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)、柏林保罗德鲁德学院和汉堡德西研究中心的合作,最终帮助缩小了这一差距。

当热量不再是一个谜,自旋电子学变得更加真实!

博科园-科学科普:Fe3Si铁硅化物和砷化镓的体系是特殊的,这两种材料在性质上有很大的不同:一种是很好的铁磁性材料,另一种是半导体。另一方面晶格常数,即原子间的特征距离,在两种材料中只相差0.2%,所以它们几乎是相同的。Przemyslaw Piekarz博士(IFJ PAN)说:因此这些材料结合得很好,在界面附近没有缺陷或明显的应力,”。波兰小组重点研究了在测试结构中晶格振动的理论模型的制备,声子计算机程序由Krzysztof Parlinski教授(IFJ PAN)在过去20年里创建和开发,在这里发挥了重要作用。利用量子力学的基本定律,计算原子间相互作用的力,从而使研究人员能够求解描述原子在晶体网络中运动的方程。

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GaAs/Fe3Si界面显微图像(GaAs用绿色标记,Fe3Si用黄色标记,棕色的锗保护层)。图片:IFJ PAN

进行了大部分计算的Malgorzata Sternik博士(IFJ PAN)解释说:在我们的模型中,底物是砷化镓,其最外层由砷原子组成。上面是交替排列的铁硅层和铁层。对于固体晶体和靠近界面的原子振动是不同的。这就是为什么我们研究了振动频谱是如何根据与界面的距离变化。晶体中原子的动力学不是随机的,晶体材料的特点是长程排列。因此原子的运动在这里不是混沌的,而是遵循一定的,有时是非常复杂的模式。横波主要负责传热。这意味着,在分析晶格动力学时,研究人员必须特别注意平行于界面平面的原子振动。如果两种材料中原子的振动波相互匹配,热量就会有效地流过界面。

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首席科学家Svetoslav Stankov博士(KIT)解释说:测量超薄层原子振动谱是实验固体物理学的重大挑战之一。由于同步辐射源的卓越性能,能够通过核非弹性散射,以非常高的分辨率直接测量纳米材料中原子振动的能谱。在我们的实验中,同步电子束平行于界面平面定向。通过这种方法,我们能够观察到平行于Fe3Si/GaAs界面的原子振动。此外实验方法是元素特异性,这意味着获得的数据实际上不受背景或其他人工制品的影响。Ge/Fe3Si/GaAs样品包含不同数量的Fe3Si单层膜(3,6,8和36),由Karlsruhe理工学院博士生Jochen Kalt在Paul Drude Institute t fur Festkorperelektronik制备。

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GaAs/Fe3Si接口模型,阿尔森原子以橙色、镓绿色、硅红色、铁蓝色标记。图片:IFJ PAN

实验在汉堡同步辐射源Petra III的动力波束P01上进行,结果表明尽管两种材料的晶格参数相似,但界面原子的振动与大体积原子的振动有很大区别。初步原理计算与实验结果完全吻合,再现了界面原子振动能谱的新特征。Stankov博士总结道:理论和实验的完美结合为界面声子纳米工程铺平了道路,这将导致更有效的热电异质结构的设计,并将促进热管理和纳米电子的进一步发展。Fe3Si/GaAs界面是研究动态和自旋电子界面现象的理想模型系统。在未来,研究小组计划扩大这项工作,以更好地了解这种有前途的材料的电子和磁性能。

当热量不再是一个谜,自旋电子学变得更加真实!

博科园-科学科普|研究/来自:波兰科学院核物理研究所

参考期刊文献:《物理评论B》

论文DOI:10.1103/PhysRevB.98.121409

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