Spintronics är ett område som handlar om elektronik som utnyttjar elektronernas inneboende spinn och deras tillhörande magnetiska moment för tillämpningar som kvantberäkningar och minneslagringsenheter. På grund av dess spinn och magnetism som uppvisas i dess isolator-metallfasövergång, har de starkt korrelerade elektronsystemen av nickeloxid (NiO) undersökts grundligt i mer än åtta decennier. Intresset för dess unika antiferromagnetiska (AF) och spinnegenskaper har sett en återupplivning på sistone eftersom NiO är ett potentiellt material för ultrasnabba spintronikenheter.
Trots denna ökning i popularitet har utforskning av dess magnetiska ytegenskaper med hjälp av lågenergielektrondiffraktionsteknik (LEED) inte fått mycket uppmärksamhet sedan 1970-talet. För att se över förståelsen av ytegenskaperna har professor Masamitsu Hoshino och emeritusprofessor Hiroshi Tanaka, båda från fysikavdelningen vid Sophia University, Japan, återbesökt LEED-kristallografin på ytan av NiO.
Resultaten av deras kvantitativa experimentella studie som undersöker den koherenta utbytesspridningen i Ni 2+ joner i AF enkristall NiO rapporterades i The European Physical Journal D .
För studien hade forskarna två huvudmål:att förbättra gamla experimentella tekniker som används för att dechiffrera koherent spinnutbytesspridning av lågenergielektroner med Ni 2+ joner av NiO och för att tillhandahålla en tillförlitlig teoretisk analys med hjälp av nyare tekniker.
De utförde först den kvantitativa karakteriseringen av ytatomer av NiO-kristaller med hjälp av LEED-metoden. Detta gjorde det möjligt för dem att utforska energiberoendet hos LEED för "halvordningsstråle"-intensitet via I-V-spektra. Vid inspektion av I-V-kurvan observerade forskarna en resonansförbättring, som tillskrevs ytvågsresonanseffekten (SWR).
Detta ledde till att teamet analyserade temperaturberoendet för LEED vid maximal intensitet och ytspinnegenskaper under SWR-förhållanden – ett tillstånd där utbredningsstrålar dyker upp nästan parallellt med kristallytan.
För att bygga en robust teoretisk grund (för att förtydliga den teoretiska bakgrunden) använde forskarna (den mer sofistikerade) LEED dynamisk teori för att tolka de experimentella resultaten och avslöjade tydligt SWR som observerats i I-V-kurvan. Temperaturberoendet mätt över ett brett temperaturområde möjliggjorde en mer kvantitativ jämförelse med konventionell molekylärfältteori.
Denna studie lyckas inte bara bekräfta tidigare experimentella data om ytspinnstruktur och magnetiska egenskaper utan ger också för första gången ett I-V-spektrum av en halvordningsstråle, SWR-förhållandena och temperaturberoendet över ett brett temperaturområde.
"Till skillnad från ferromagnetiska material som uppvisar magnetism, har AF-material, som inte uppvisar magnetiska egenskaper som indikeras av deras spin-arrangemang, betraktats som 'oanvändbara material'. Men de håller på att återfödas. Denna fras används ofta nu, och term, oanvändbara material härleddes från Néels Nobelprisföreläsning (1970), säger forskarna när de tillfrågas om motivationen bakom att återbesöka NiO LEED-experiment.
"Dessutom är denna forskning vid gränsen till ett klassiskt och nytt forskningstema som började på 1970-talet genom ett personligt meddelande från Nobelpristagaren Prof. N.F. Mott är känd för genombrott i forskningen om Mott-isolatorer som NiO, som noterades i referens."
De kommenterade vidare, "Denna forskning är specialiserad, fokuserar på akademiska och grundläggande aspekter, och är inte avsedd för allmänheten, utan kan snarare hjälpa till att klargöra de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos lovande antiferromagnetiska material."
Mer information: Masamitus Hoshino et al, Koherent spinnutbytesspridning av lågenergielektroner av Ni2+-joner i antiferromagnetisk kristall NiO under ytvågsresonans:experimentella och teoretiska resultat återbesöks, The European Physical Journal D (2023). DOI:10.1140/epjd/s10053-023-00773-8
Journalinformation: European Physical Journal D
Tillhandahålls av Sophia University
