自旋電子學的發展依賴於能夠控制磁極化電流流動材料。然而當傳熱的細節在材料之間接口是未知的時候，談論控制是困難的。我們材料知識中的這一熱缺口剛剛被一個波蘭-德國物理學家團隊填補，他們現在詳細描述了發生在鐵磁金屬和半導體之間的界面上的動態現象。自旋電子學被認為是電子學的繼承者，在自旋電子器件中，電流被自旋電流所代替。砷化鎵/硅化鐵異質結構似乎是這種應用的一種有前途的材料。每四個電子通過這個界面，就有三個電子攜帶磁矩方向的信息。然而到目前為止，對於決定熱流的界面的動態特性所知甚少。波蘭科學院(IFJ PAN)核物理研究所(Cracow)、卡爾斯魯厄理工學院(KIT)、柏林保羅德魯德學院和漢堡德西研究中心的合作，最終幫助縮小了這一差距。
博科園-科學科普：Fe3Si鐵硅化物和砷化鎵的體系是特殊的，這兩種材料在性質上有很大的不同：一種是很好的鐵磁性材料，另一種是半導體。另一方面晶格常數，即原子間的特徵距離，在兩種材料中只相差0.2%，所以它們幾乎是相同的。Przemyslaw Piekarz博士(IFJ PAN)說：因此這些材料結合得很好，在界面附近沒有缺陷或明顯的應力，”。波蘭小組重點研究了在測試結構中晶格振動的理論模型的製備，聲子計算機程序由Krzysztof Parlinski教授(IFJ PAN)在過去20年裡創建和開發，在這裡發揮了重要作用。利用量子力學的基本定律，計算原子間相互作用的力，從而使研究人員能夠求解描述原子在晶體網絡中運動的方程。
GaAs/Fe3Si界面顯微圖像(GaAs用綠色標記，Fe3Si用黃色標記，棕色的鍺保護層)。圖片：IFJ PAN
進行了大部分計算的Malgorzata Sternik博士(IFJ PAN)解釋說：在我們的模型中，底物是砷化鎵，其最外層由砷原子組成。上面是交替排列的鐵硅層和鐵層。對於固體晶體和靠近界面的原子振動是不同的。這就是為什麼我們研究了振動頻譜是如何根據與界面的距離變化。晶體中原子的動力學不是隨機的，晶體材料的特點是長程排列。因此原子的運動在這裡不是混沌的，而是遵循一定的，有時是非常複雜的模式。橫波主要負責傳熱。這意味著，在分析晶格動力學時，研究人員必須特別注意平行於界面平面的原子振動。如果兩種材料中原子的振動波相互匹配，熱量就會有效地流過界面。
首席科學家Svetoslav Stankov博士(KIT)解釋說：測量超薄層原子振動譜是實驗固體物理學的重大挑戰之一。由於同步輻射源的卓越性能，能夠通過核非彈性散射，以非常高的分辨率直接測量納米材料中原子振動的能譜。在我們的實驗中，同步電子束平行於界面平面定向。通過這種方法，我們能夠觀察到平行於Fe3Si/GaAs界面的原子振動。此外實驗方法是元素特異性，這意味著獲得的數據實際上不受背景或其他人工製品的影響。Ge/Fe3Si/GaAs樣品包含不同數量的Fe3Si單層膜(3,6,8和36)，由Karlsruhe理工學院博士生Jochen Kalt在Paul Drude Institute t fur Festkorperelektronik製備。
GaAs/Fe3Si接口模型，阿爾森原子以橙色、鎵綠色、硅紅色、鐵藍色標記。圖片：IFJ PAN
實驗在漢堡同步輻射源Petra III的動力波束P01上進行，結果表明儘管兩種材料的晶格參數相似，但界面原子的振動與大體積原子的振動有很大區別。初步原理計算與實驗結果完全吻合，再現了界面原子振動能譜的新特徵。Stankov博士總結道：理論和實驗的完美結合為界面聲子納米工程鋪平了道路，這將導致更有效的熱電異質結構的設計，並將促進熱管理和納米電子的進一步發展。Fe3Si/GaAs界面是研究動態和自旋電子界面現象的理想模型系統。在未來，研究小組計劃擴大這項工作，以更好地瞭解這種有前途的材料的電子和磁性能。
博科園-科學科普｜研究/來自：波蘭科學院核物理研究所
參考期刊文獻:《物理評論B》
論文DOI：10.1103/PhysRevB.98.121409
博科園-傳遞宇宙科學之美
閱讀更多 博科園 的文章
