Il campo in espansione della spintronica promette una nuova generazione di dispositivi sfruttando il grado di libertà di spin dell'elettrone oltre alla sua carica per creare nuove funzionalità non possibili con l'elettronica convenzionale. L'effetto di magnetoresistenza gigante (GMR) (Premio Nobel per la Fisica 2007) è un esempio paradigmatico di un'applicazione spintronica. Poiché l'interfaccia tra i materiali magnetici e non magnetici è un componente chiave di tali dispositivi, è fondamentale caratterizzare e comprendere le proprietà elettroniche e magnetiche sia di superficie che di massa.

In una recente pubblicazione in Comunicazioni sulla natura , una joint venture tra teorici, sperimentatori e coltivatori campione guidati da un gruppo del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) Trieste, Italia, riporta uno studio sistematico di spettroscopia di fotoemissione di due materiali rappresentativi per applicazioni di spintronica, (Ga, Mn)As e La1-xSrxMnO3. Utilizzando l'energia del fotone della radiazione di sincrotrone incidente dalla linea di luce dell'analisi strutturale della superficie e dell'interfaccia (I09) a Diamond Light Source come strumento di profilatura della profondità, sono stati in grado di quantificare la variazione nella forza dell'ordine magnetico e la conduzione elettrica dalla superficie verso il basso nella massa del materiale. Questo studio stabilisce le diverse proprietà delle superfici rispetto all'ingombro e le caratteristiche profondità 'critiche' necessarie per ripristinare le proprietà dell'ingombro, che sono informazioni cruciali per la progettazione di qualsiasi dispositivo spintronico basato su questi materiali.

La sfida dei materiali per le applicazioni di spintronica

L'elettronica moderna si basa sulla capacità di controllare le correnti in dispositivi a stato solido come transistor e diodi. Però, oltre alla loro carica, gli elettroni possiedono un'altra proprietà della meccanica quantistica nota come "spin", responsabile del fenomeno del magnetismo. Nei materiali utilizzati per l'elettronica convenzionale, come il silicio, lo spin è un grado di libertà ridondante, ma l'obiettivo del campo emergente della spintronica è quello di essere in grado di creare dispositivi in ​​cui sia la corrente di carica che quella di spin possono essere controllate simultaneamente, consentendo una nuova generazione di dispositivi logici e di memoria.

Qualsiasi potenziale dispositivo spintronico dovrà incorporare un materiale che sia sia magnetico che elettricamente conduttore, consentendo la propagazione di una 'corrente di spin'. Ampiamente parlando, sono concepibili due approcci "doping" a questa sfida dei materiali:introducendo elementi magnetici come il manganese in un semiconduttore altrimenti non magnetico, come (Ga, Mn) Come, o introducendo vettori aggiuntivi da, Per esempio, sostituendo alcuni atomi di lantanio con uno di stronzio, donando così un ulteriore elettrone in La1-xSrxMnO3; in entrambi i casi, si può indurre magnetismo. Attraverso il controllo della composizione chimica, è possibile mettere a punto e ottimizzare le proprietà di volume del materiale, compresa la densità del vettore e la temperatura critica al di sotto della quale il materiale è magnetico (o per essere precisi, ferromagnetico). Però, se questi materiali devono essere utilizzati in dispositivi pratici, saranno utilizzati nelle interfacce con altri componenti, e quindi è di fondamentale importanza comprendere anche come le proprietà delle superfici del materiale possano differire dal comportamento in profondità nella massa del campione. Inoltre, è fondamentale determinare quantitativamente la scala di lunghezza su cui si sviluppano le proprietà completamente simili alla massa.

Informazioni dipendenti dalla profondità dalla spettroscopia fotoelettronica a I09

Estrarre sperimentalmente informazioni dipendenti dalla profondità sul carattere metallico degli elettroni non è un'impresa facile. Però, i calcoli teorici eseguiti nell'ambito di questo studio hanno stabilito che il grado di "metallicità" potrebbe essere rilevato indirettamente tramite una misurazione nota come spettroscopia di fotoemissione. Questi calcoli sono stati effettuati dal professor Gerrit van der Laan di Diamond e dal professor Munetaka Taguchi di Spring8 e NAIST, Giappone. In questa tecnica, un raggio di raggi X viene proiettato sul campione di interesse, espellendo gli elettroni chiamati fotoelettroni. Il profilo energetico di questi fotoelettroni rivela informazioni sugli stati elettronici all'interno del campione, ed è stato dimostrato che una stretta caratteristica "satellite" situata accanto ai picchi più convenzionali derivanti dagli elettroni in un particolare guscio "2p" di manganese potrebbe essere interpretata come una chiara impronta digitale della presenza di comportamento metallico.

Poiché i fotoelettroni devono uscire dal campione attraverso la sua superficie per essere rilevati, ci si potrebbe aspettare che la tecnica sia più sensibile agli stati degli elettroni vicino alla superficie del campione. Questo è generalmente vero, ma sintonizzando l'energia del fascio di raggi X in arrivo si può variare la scala caratteristica delle lunghezze che si sta sondando nella misura. Con raggi X ad alta energia, i fotoelettroni espulsi hanno anche un'energia maggiore, e può uscire dal campione più in profondità all'interno del materiale.

È qui che entra in gioco la linea di luce per l'analisi strutturale delle superfici e delle interfacce (I09) di Diamond Light Source. I09 è una linea di luce altamente versatile, in cui le misure di spettroscopia fotoelettronica possono essere eseguite con eccellente risoluzione, alta intensità del raggio, e, cosa cruciale per questo studio, una gamma straordinariamente ampia di energie dei raggi X. Queste caratteristiche danno ai ricercatori l'opportunità di misurare superfici sensibili a basse energie, o usare energie elevate per vedere in profondità la massa del campione, con tutte le altre considerazioni sperimentali mantenute costanti (si noti che 'profondo' in questo contesto è ancora circa 500 volte più piccolo della larghezza di un capello umano!). "Nelle nostre misurazioni a I09 siamo stati in grado di quantificare e tracciare i dettagli fini della struttura elettronica all'interno dello stesso materiale in funzione della profondità, dalla superficie alla massa" ha descritto Tommaso Pincelli, un dottorando del CNR, Trieste e autore principale dello studio.

Scale di lunghezza dipendenti dal materiale, ma la superficie è sempre diversa

Eseguendo queste misure di spettroscopia fotoelettronica dipendente dall'energia su (Ga, Mn)As e La1-xSrxMnO3, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che il comportamento metallico nella massa è stato fortemente soppresso in superficie. I due diversi materiali hanno mostrato diverse scale di lunghezza caratteristiche necessarie per sviluppare proprietà simili alla massa:rispettivamente 1,2 nm e 4 nm. Questi sono parametri cruciali per progettare qualsiasi dispositivo spintronico basato su questi materiali:non solo è necessario che si possa ingegnerizzare la struttura fisica atomica con precisione sub-nanometrica, ma è importante anche la variazione delle proprietà elettroniche su queste scale di lunghezza. "Queste bilance elettroniche sono piuttosto significative e devono essere prese in considerazione nella progettazione di eventuali dispositivi futuri" ha concluso il dott. Giancarlo Panaccione, il corrispondente autore dello studio.