Lo sviluppo della spintronica dipende da materiali che garantiscono il controllo sul flusso di correnti polarizzate magneticamente. Però, è difficile parlare di controllo quando i dettagli del trasporto del calore attraverso le interfacce tra i materiali sono sconosciuti. Questa lacuna termica nella nostra conoscenza dei materiali è stata appena colmata grazie a un team di fisici polacco-tedeschi, che ora descrivono in dettaglio i fenomeni dinamici che si verificano all'interfaccia tra un metallo ferromagnetico e un semiconduttore.

La spintronica è stata proposta come successore dell'elettronica. Nei dispositivi spintronici, le correnti elettriche sono sostituite da correnti di spin. Un materiale promettente per questo tipo di applicazione sembra essere un'eterostruttura arseniuro di gallio/siliciuro di ferro. Per ogni quattro elettroni che passano attraverso questa interfaccia, ben tre portano informazioni sulla direzione del momento magnetico. Finora, però, si sapeva poco delle proprietà dinamiche dell'interfaccia, che determinano il flusso di calore. Una collaborazione tra l'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia Polacca delle Scienze (IFJ PAN) di Cracovia, l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT), il Paul Drude Institut für Festkörperelektronik di Berlino e il Centro di ricerca DESY di Amburgo hanno finalmente contribuito a colmare questa lacuna.

"I sistemi di Fe ₃ Siliciuro di ferro Si e arseniuro di gallio GaAs sono speciali. I due materiali differiscono notevolmente nelle proprietà:il primo è un ottimo materiale ferromagnetico, l'altro è un semiconduttore. D'altra parte, le costanti reticolari, cioè distanze caratteristiche tra gli atomi, differiscono solo dello 0,2 percento in entrambi i materiali, quindi sono quasi identici. Di conseguenza, questi materiali si combinano bene, e non sono presenti difetti o sollecitazioni significative in prossimità dell'interfaccia, " afferma il dottor Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

Il gruppo polacco si è concentrato sulla preparazione di un modello teorico delle vibrazioni del reticolo cristallino nella struttura testata. Il programma per computer PHONON, creato e sviluppato negli ultimi 20 anni dal Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), giocato un ruolo importante qui. Utilizzando le leggi fondamentali della meccanica quantistica, sono state calcolate le forze di interazione tra gli atomi, e questo ha permesso ai ricercatori di risolvere equazioni che descrivono il movimento degli atomi nelle reti di cristalli.

Dott.ssa Malgorzata Sternik (IFJ PAN), che ha eseguito la maggior parte dei calcoli, spiega:"Nel nostro modello, il substrato è arseniuro di gallio, e il suo strato più esterno è costituito da atomi di arsenico. Oltre a questo, ci sono strati di ferro-silicio e ferro disposti alternativamente. Le vibrazioni atomiche sono diverse per un cristallo solido, e vicino all'interfaccia. Questo è il motivo per cui abbiamo studiato come cambia lo spettro delle vibrazioni a seconda della distanza dall'interfaccia".

La dinamica degli atomi nei cristalli non è casuale. I materiali cristallini sono caratterizzati da un ordine a lungo raggio. Come conseguenza, il moto degli atomi qui non è caotico, ma segue certo, a volte molto complesso, modelli. Le onde acustiche trasversali sono le principali responsabili del trasferimento di calore. Ciò significa che quando si analizza la dinamica del reticolo, i ricercatori hanno dovuto prestare particolare attenzione alle vibrazioni atomiche che si verificano nel piano parallelo all'interfaccia. Se le onde di vibrazione degli atomi in entrambi i materiali fossero abbinate tra loro, il calore fluirebbe effettivamente attraverso l'interfaccia.

"Misurare lo spettro delle vibrazioni atomiche negli strati ultrasottili è una delle grandi sfide della fisica sperimentale dello stato solido, " spiega il principale scienziato Dr. Svetoslav Stankov (KIT). "Grazie alle eccezionali prestazioni delle sorgenti di radiazione di sincrotrone, noi siamo capaci, tramite scattering anelastico nucleare, misurare direttamente lo spettro energetico delle vibrazioni atomiche in nanomateriali ad altissima risoluzione. Nel nostro esperimento, il fascio di sincrotrone era orientato parallelamente al piano dell'interfaccia. In questo modo, siamo stati in grado di osservare vibrazioni atomiche parallele al Fe ₃ Interfaccia Si/GaAs. Per di più, il metodo sperimentale è specifico dell'elemento, il che implica che i dati ottenuti sono praticamente privi di sfondo o altri artefatti."

Ge/Fe ₃ Campioni di Si/GaAs contenenti vari numeri di Fe ₃ Si monostrati (3, 6, 8 e 36) sono stati preparati al Paul Drude Institut für Festkörperelektronik da Jochen Kalt, un dottorato di ricerca studente al Karlsruhe Institute of Technology. L'esperimento è stato condotto presso la Dynamics Beamline P01 della sorgente di radiazione di sincrotrone Petra III ad Amburgo.

Si è scoperto che, nonostante i parametri reticolari simili di entrambi i materiali, le vibrazioni degli atomi di interfaccia differiscono drasticamente da quelle della massa. I calcoli dei primi principi erano perfettamente in linea con le osservazioni sperimentali, riproducendo le nuove caratteristiche nello spettro energetico delle vibrazioni atomiche dell'interfaccia.

"La corrispondenza quasi perfetta tra teoria ed esperimento apre la strada alla nanoingegneria dell'interfaccia fononica che porterà alla progettazione di eterostrutture termoelettriche più efficienti e stimolerà ulteriori progressi nella gestione termica e nella nanofononica, " conclude il dottor Stankov.

il Fe ₃ L'interfaccia Si/GaAs ha dimostrato di essere un sistema modello perfetto per lo studio dei fenomeni di interfaccia dinamica e spintronica. In futuro il team di ricerca prevede di estendere questo lavoro per comprendere meglio le proprietà elettroniche e magnetiche di questo materiale promettente.