De ontwikkeling van spintronica is afhankelijk van materialen die de controle over de stroom van magnetisch gepolariseerde stromen garanderen. Echter, het is moeilijk om over controle te praten als de details van het warmtetransport door de interfaces tussen materialen onbekend zijn. Dit thermische gat in onze materiaalkennis is zojuist opgevuld dankzij een Pools-Duits team van natuurkundigen, die nu in detail de dynamische verschijnselen beschrijven die optreden op het grensvlak tussen een ferromagnetisch metaal en een halfgeleider.

Spintronics is voorgesteld als opvolger van elektronica. In spintronische apparaten, elektrische stromen worden vervangen door spinstromen. Een veelbelovend materiaal voor dit soort toepassingen lijkt een heterostructuur van galliumarsenide/ijzersilicide te zijn. Voor elke vier elektronen die door dit grensvlak gaan, maar liefst drie dragen informatie over de richting van het magnetische moment. Tot dusver, echter, er was weinig bekend over de dynamische eigenschappen van de interface, die de warmtestroom bepalen. Een samenwerking tussen het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, het Karlsruhe Instituut voor Technologie (KIT), het Paul Drude Institut für Festkörperelektronik in Berlijn en het DESY onderzoekscentrum in Hamburg hebben eindelijk geholpen om deze kloof te dichten.

"De systemen van Fe ₃ Si-ijzersilicide en GaAs-galliumarsenide zijn speciaal. De twee materialen verschillen aanzienlijk in eigenschappen:de eerste is een zeer goed ferromagnetisch materiaal, de andere is een halfgeleider. Anderzijds, de roosterconstanten, dat wil zeggen karakteristieke afstanden tussen atomen, verschillen slechts 0,2 procent in beide materialen, dus ze zijn bijna identiek. Als resultaat, deze materialen combineren goed, en er zijn geen defecten of significante spanningen in de buurt van de interface, " zegt Dr. Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

De Poolse groep richtte zich op de voorbereiding van een theoretisch model van kristalroostertrillingen in de geteste structuur. Het computerprogramma PHONON, gecreëerd en ontwikkeld in de afgelopen 20 jaar door Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), speelde hier een belangrijke rol. Met behulp van de basiswetten van de kwantummechanica, de krachten van interacties tussen atomen werden berekend, en hierdoor konden de onderzoekers vergelijkingen oplossen die de beweging van atomen in kristalnetwerken beschrijven.

Dr. Malgorzata Sternik (IFJ PAN), die de meeste berekeningen heeft uitgevoerd, legt uit:"In ons model het substraat is galliumarsenide, en de buitenste laag bestaat uit arseenatomen. Erboven, er zijn afwisselend aangebrachte ijzer-silicium- en ijzerlagen. Atoomtrillingen zijn anders voor een vast kristal, en in de buurt van de interface. Daarom hebben we onderzocht hoe het spectrum van trillingen verandert afhankelijk van de afstand tot de interface."

De dynamiek van atomen in kristallen is niet willekeurig. Kristallijne materialen worden gekenmerkt door een lange-afstandsvolgorde. Als gevolg hiervan, de beweging van atomen is hier niet chaotisch, maar volgt zeker, soms erg ingewikkeld, patronen. Transversale akoestische golven zijn voornamelijk verantwoordelijk voor warmteoverdracht. Dit betekent dat bij het analyseren van de roosterdynamiek, de onderzoekers moesten speciale aandacht besteden aan de atomaire trillingen die optreden in het vlak evenwijdig aan de interface. Als de trillingsgolven van de atomen in beide materialen op elkaar zijn afgestemd, warmte zou effectief door de interface stromen.

"Het meten van het spectrum van atomaire trillingen in ultradunne lagen is een van de grote uitdagingen in de experimentele vastestoffysica, " legt de vooraanstaande wetenschapper Dr. Svetoslav Stankov (KIT) uit. "Dankzij de uitstekende prestaties van de synchrotronstralingsbronnen, wij kunnen, via nucleaire inelastische verstrooiing, om het energiespectrum van atomaire trillingen in nanomaterialen direct met zeer hoge resolutie te meten. In ons experiment, de synchrotronbundel was evenwijdig aan het vlak van de interface georiënteerd. Op deze manier, we waren in staat om atomaire trillingen parallel aan de Fe . waar te nemen ₃ Si/GaAs-interface. Verder, de experimentele methode is element-specifiek, wat inhoudt dat de verkregen gegevens praktisch vrij zijn van achtergrond- of andere artefacten."

Ge/Fe ₃ Si/GaAs-monsters met verschillende aantallen Fe ₃ Si-monolagen (3, 6, 8 en 36) werden opgesteld in het Paul Drude Institut für Festkörperelektronik door Jochen Kalt, een doctoraat student aan het Karlsruhe Institute of Technology. Het experiment is uitgevoerd op de Dynamics Beamline P01 van de synchrotronstralingsbron Petra III in Hamburg.

Het bleek dat ondanks de vergelijkbare roosterparameters van beide materialen, de trillingen van de interface-atomen verschillen drastisch van die in de bulk. De eerste principes berekeningen waren perfect in lijn met de experimentele waarnemingen, het reproduceren van de nieuwe kenmerken in het energiespectrum van atomaire trillingen op het grensvlak.

"De bijna perfecte match tussen theorie en experiment effent de weg naar interface fonon-nano-engineering die zal leiden tot het ontwerp van efficiëntere thermo-elektrische heterostructuren en verdere vooruitgang in thermisch beheer en nanofononics zal stimuleren, " concludeert Dr. Stankov.

de Fe ₃ Si/GaAs-interface heeft bewezen een perfect modelsysteem te zijn voor het bestuderen van dynamische en spintronische interfacefenomenen. In de toekomst is het onderzoeksteam van plan dit werk uit te breiden om de elektronische en magnetische eigenschappen van dit veelbelovende materiaal beter te begrijpen.