Utvecklingen av spintronics beror på material som garanterar kontroll över flödet av magnetiskt polariserade strömmar. Dock, det är svårt att prata om kontroll när detaljerna om värmetransport genom gränssnitten mellan material är okända. Detta termiska gap i vår materialkunskap har just fyllts tack vare ett polsk-tyskt team av fysiker, som nu i detalj beskriver de dynamiska fenomen som uppstår vid gränssnittet mellan en ferromagnetisk metall och en halvledare.

Spintronics har föreslagits som en efterföljare av elektronik. I spintronic -enheter, elektriska strömmar ersätts med spinnströmmar. Ett lovande material för denna typ av applikation verkar vara en heterostruktur av galliumarsenid/järnsilicid. För var fjärde elektron som passerar genom detta gränssnitt, så många som tre har information om magnetmomentets riktning. Än så länge, dock, lite var känt om gränssnittets dynamiska egenskaper, som bestämmer värmeflödet. Ett samarbete mellan Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Paul Drude Institut für Festkörperelektronik i Berlin och DESY Research Center i Hamburg har äntligen hjälpt till att täppa till detta gap.

"Systemen i Fe ₃ Si järnsilicid och GaAs galliumarsenid är speciella. De två materialen skiljer sig väsentligt åt i egenskaper:Det första är ett mycket bra ferromagnetiskt material, den andra är en halvledare. Å andra sidan, gitterkonstanterna, dvs karakteristiska avstånd mellan atomer, skiljer sig bara med 0,2 procent i båda materialen, så de är nästan identiska. Som ett resultat, dessa material kombineras bra, och det finns inga defekter eller betydande påfrestningar nära gränssnittet, "säger Dr Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Den polska gruppen fokuserade på utarbetandet av en teoretisk modell av kristallgittervibrationer i den testade strukturen. Datorprogrammet PHONON, skapat och utvecklat under de senaste 20 åren av prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), spelat en viktig roll här. Med hjälp av kvantmekanikens grundlagar, interaktionskrafterna mellan atomer beräknades, och detta gjorde det möjligt för forskarna att lösa ekvationer som beskriver atomernas rörelse i kristallnätverk.

Dr Malgorzata Sternik (IFJ PAN), som utförde de flesta beräkningarna, förklarar:"I vår modell, substratet är galliumarsenid, och dess yttersta skikt består av arsenatomer. Ovanför det, det finns växelvis arrangerade järn-kisel- och järnlager. Atomvibrationer är olika för en solid kristall, och nära gränssnittet. Det är därför vi studerade hur spektrat av vibrationer förändras beroende på avståndet från gränssnittet. "

Atomernas dynamik i kristaller är inte slumpmässig. Kristallina material kännetecknas av en lång räckvidd. Som en konsekvens, atomernas rörelse är inte kaotisk här, men följer säkert, ibland mycket komplex, mönster. Tvärgående akustiska vågor är huvudsakligen ansvariga för värmeöverföring. Detta innebär att när man analyserar gitterdynamiken, forskarna var tvungna att ägna särskild uppmärksamhet åt de atomvibrationer som uppstår i planet parallellt med gränssnittet. Om atomernas vibrationsvågor i båda materialen matchades med varandra, värme skulle effektivt flöda genom gränssnittet.

"Att mäta spektrumet av atomvibrationer i ultratunna lager är en av de stora utmaningarna i experimentell fysik i fast tillstånd, "förklarar den ledande forskaren Dr Svetoslav Stankov (KIT)." Tack vare den enastående prestandan hos synkrotronstrålningskällorna, vi kan, via nukleär oelastisk spridning, att direkt mäta energispektrumet för atomvibrationer i nanomaterial med mycket hög upplösning. I vårt experiment, synkrotronstrålen orienterades parallellt med gränssnittets plan. På det här sättet, vi kunde observera atomvibrationer parallellt med Fe ₃ Si/GaAs-gränssnitt. Vidare, den experimentella metoden är elementspecifik, vilket innebär att den erhållna informationen är praktiskt taget fri från bakgrund eller andra artefakter. "

Ge/Fe ₃ Si/GaAs -prover som innehåller olika antal Fe ₃ Si enkelskikt (3, 6, 8 och 36) förbereddes vid Paul Drude Institut für Festkörperelektronik av Jochen Kalt, en Ph.D. student vid Karlsruhe Institute of Technology. Experimentet utfördes vid Dynamics Beamline P01 hos synkrotronstrålningskällan Petra III i Hamburg.

Det visade sig att trots de liknande gitterparametrarna för båda materialen, vibrationerna hos gränssnittsatomerna skiljer sig drastiskt från de i bulken. De första principberäkningarna var helt i linje med de experimentella observationerna, reproducera de nya särdragen i energispektrumet av gränssnittsatomvibrationer.

"Den nästan perfekta matchningen mellan teori och experiment banar vägen mot interface phonon nanoengineering som kommer att leda till designen av mer effektiva termoelektriska heterostrukturer och kommer att stimulera ytterligare framsteg inom termisk ledning och nanofonik, "avslutar Dr Stankov.

Fe ₃ Si/GaAs-gränssnitt har visat sig vara ett perfekt modellsystem för att studera dynamiska och spintroniska gränssnittsfenomen. I framtiden planerar forskargruppen att utvidga detta arbete till att bättre förstå de lovande materialets elektroniska och magnetiska egenskaper.