Det växande området för spintronics lovar en ny generation av enheter genom att dra fördel av elektronens spinnfrihetsgrad utöver dess laddning för att skapa nya funktioner som inte är möjliga med konventionell elektronik. Effekten av jättemagnetoresistans (GMR) (2007 års Nobelpris i fysik) är ett paradigmatiskt exempel på en spintronikapplikation. Eftersom gränssnittet mellan de magnetiska och icke-magnetiska materialen är en nyckelkomponent i en sådan enhet, det är avgörande att karakterisera och förstå både ytan och bulk elektroniska och magnetiska egenskaper.

I en färsk publikation i Naturkommunikation , ett joint venture mellan teoretiker, experimentalister och provodlare ledda av en grupp från National Research Council (CNR) Trieste, Italien, rapporterar en systematisk fotoemissionsspektroskopistudie av två representativa material för spintroniktillämpningar, (Ga, Mn)As och La1-xSrxMnO3. Genom att använda fotonenergin från den infallande synkrotronstrålningen från strållinjen för yt- och gränssnittsstrukturanalys (I09) vid Diamond Light Source som ett verktyg för djupprofilering, de kunde kvantifiera variationen i styrkan hos den magnetiska ordningen och den elektriska ledningen från ytan och ner till materialets massa. Denna studie fastställer de olika egenskaperna hos ytorna jämfört med bulken och de karakteristiska "kritiska" djupen som behövs för att återställa bulkegenskaper, som är avgörande information för utformningen av alla spintroniska enheter baserade på dessa material.

Materialutmaning för spintronikapplikationer

Modern elektronik förlitar sig på förmågan att styra strömmar i solid state-enheter som transistorer och dioder. Dock, utöver deras ansvar, elektroner har en annan kvantmekanisk egenskap som kallas "spin", som är ansvarig för fenomenet magnetism. I material som används för konventionell elektronik, som kisel, snurret är en överflödig frihetsgrad, men målet för det framväxande spintronikområdet är att kunna skapa enheter där både laddnings- och spinnströmmar kan styras samtidigt, möjliggör en ny generation av logik- och minnesenheter.

Alla potentiella spintroniska enheter måste innehålla ett material som är både magnetiskt och elektriskt ledande, möjliggör fortplantning av en "spinström". I stort sett, två "doping"-metoder för denna materialutmaning är tänkbara - antingen genom att introducera magnetiska element som mangan i en annars omagnetisk halvledare, som (Ga, Mn)As, eller genom att introducera extra operatörer av, till exempel, ersätta några lantanatomer med en strontiumatom, därigenom donerar ytterligare en elektron i La1-xSrxMnO3; i båda fallen, man kan inducera magnetism. Genom att kontrollera den kemiska sammansättningen, det är möjligt att trimma och optimera materialets bulkegenskaper, inklusive bärardensiteten och den kritiska temperatur under vilken materialet är magnetiskt (eller för att vara exakt, ferromagnetisk). Dock, om dessa material ska användas i praktiska anordningar, de kommer att användas i gränssnitt med andra komponenter, och därför är det avgörande att också förstå hur egenskaperna hos materialets ytor kan skilja sig från beteendet djupt inne i provets bulk. Dessutom, det är ytterst viktigt att kvantitativt bestämma den längdskala över vilken de helt bulkliknande egenskaperna utvecklas.

Djupberoende information från fotoelektronspektroskopi vid I09

Att experimentellt utvinna djupberoende information om elektronernas metalliska karaktär är ingen lätt bedrift. Dock, teoretiska beräkningar utförda som en del av denna studie fastställde att graden av "metallicitet" indirekt kunde undersökas via en mätning som kallas fotoemissionsspektroskopi. Dessa beräkningar utfördes av professor Gerrit van der Laan från Diamond och professor Munetaka Taguchi från Spring8 och NAIST, Japan. I denna teknik, en stråle av röntgenstrålar lyser på provet av intresse, sparkar ut elektroner som kallas fotoelektroner. Energiprofilen för dessa fotoelektroner avslöjar information om de elektroniska tillstånden inuti provet, och det visades att en smal "satellit"-funktion belägen bredvid de mer konventionella topparna som härrör från elektroner i ett speciellt '2p'-skal av mangan kunde tolkas som ett tydligt fingeravtryck av närvaron av metalliskt beteende.

Eftersom fotoelektronerna måste lämna provet genom dess yta för att kunna detekteras, man kan förvänta sig att tekniken skulle vara mest känslig för elektrontillstånd nära provets yta. Detta är i allmänhet sant, men genom att ställa in energin hos den inkommande röntgenstrålen kan man variera den karakteristiska längdskalan som undersöks i mätningen. Med högre energi röntgenstrålar, de utstötta fotoelektronerna har också högre energi, och kan lämna provet från djupare inuti materialet.

Det är här strållinjen för yt- och gränssnittsstrukturanalys (I09) vid Diamond Light Source kommer in. I09 är en mycket mångsidig strållinje, där fotoelektronspektroskopi kan utföras med utmärkt upplösning, hög strålintensitet, och – avgörande för denna studie – ett unikt brett utbud av röntgenenergier. Dessa egenskaper ger forskarna möjlighet att mäta antingen ytkänslighet vid låga energier, eller att använda höga energier för att se djupt in i huvuddelen av provet, med alla andra experimentella överväganden konstant (observera att 'djup' i detta sammanhang fortfarande är cirka 500 gånger mindre än bredden på ett människohår!). "I våra mätningar vid I09 kunde vi kvantifiera och spåra de fina detaljerna i den elektroniska strukturen inom samma material som en funktion av djupet, från ytan till bulken" beskrev Tommaso Pincelli, en doktorand från CNR, Trieste och en huvudförfattare till studien.

Materialberoende längdskalor – men ytan är alltid annorlunda

Genom att utföra dessa energiberoende fotoelektronspektroskopimätningar på (Ga, Mn)As och La1-xSrxMnO3, forskarna kunde visa att det metalliska beteendet i bulken var starkt undertryckt vid ytan. De två olika materialen visade olika karakteristiska längdskalor som behövs för att utveckla bulkliknande egenskaper:1,2 nm respektive 4 nm. Dessa är avgörande parametrar för att designa alla spintroniska enheter baserade på dessa material:det är inte bara nödvändigt att man kan konstruera den fysiska atomstrukturen med subnanometerprecision, men variationen av elektroniska egenskaper över dessa längdskalor är också viktig. "Dessa elektroniska längdvågar är ganska betydande och måste tas med i beräkningen vid utformningen av alla framtida enheter", avslutade Dr Giancarlo Panaccione, motsvarande författare till studien.