El campo en expansión de la espintrónica promete una nueva generación de dispositivos aprovechando el grado de libertad de giro del electrón además de su carga para crear nuevas funcionalidades que no son posibles con la electrónica convencional. El efecto de magnetorresistencia gigante (GMR) (Premio Nobel de Física 2007) es un ejemplo paradigmático de aplicación espintrónica. Como la interfaz entre los materiales magnéticos y no magnéticos es un componente clave de cualquier dispositivo de este tipo, Es fundamental caracterizar y comprender las propiedades magnéticas y electrónicas de la superficie y del volumen.

En una publicación reciente en Comunicaciones de la naturaleza , una empresa conjunta entre teóricos, experimentadores y productores de muestras dirigidos por un grupo del Consejo Nacional de Investigación (CNR) de Trieste, Italia, informa un estudio sistemático de espectroscopia de fotoemisión de dos materiales representativos para aplicaciones de espintrónica, (Georgia, Mn) As y La1-xSrxMnO3. Usando la energía fotónica de la radiación de sincrotrón incidente de la línea de luz de Análisis estructural de superficie e interfaz (I09) en Diamond Light Source como una herramienta de perfilado de profundidad, pudieron cuantificar la variación en la fuerza del orden magnético y la conducción eléctrica desde la superficie hacia abajo hasta la mayor parte del material. Este estudio establece las diferentes propiedades de las superficies en comparación con el volumen y las profundidades 'críticas' características necesarias para restaurar las propiedades del volumen. que son piezas de información cruciales para el diseño de cualquier dispositivo espintrónico basado en estos materiales.

Desafío de materiales para aplicaciones de espintrónica

La electrónica moderna se basa en la capacidad de controlar corrientes en dispositivos de estado sólido como transistores y diodos. Sin embargo, además de su cargo, los electrones poseen otra propiedad de la mecánica cuántica conocida como 'espín', que es responsable del fenómeno del magnetismo. En materiales utilizados para electrónica convencional, como el silicio, el giro es un grado de libertad redundante, pero el objetivo del campo emergente de la espintrónica es poder crear dispositivos en los que las corrientes de carga y de giro se puedan controlar simultáneamente, permitiendo una nueva generación de dispositivos lógicos y de memoria.

Cualquier dispositivo espintrónico potencial deberá incorporar un material que sea tanto magnético como eléctricamente conductor, permitiendo la propagación de una 'corriente de espín'. Hablando en general, Se pueden concebir dos enfoques de 'dopaje' para este desafío de materiales:ya sea mediante la introducción de elementos magnéticos como el manganeso en un semiconductor que de otro modo no sería magnético, como (Ga, Mn) Como, o introduciendo transportistas adicionales por, por ejemplo, reemplazar algunos átomos de lantano por uno de estroncio, donando así un electrón adicional en La1-xSrxMnO3; en ambos casos, se puede inducir magnetismo. Por control de la composición química, es posible ajustar y optimizar las propiedades generales del material, incluyendo la densidad del portador y la temperatura crítica por debajo de la cual el material es magnético (o para ser precisos, ferromagnético). Sin embargo, si estos materiales se van a utilizar en dispositivos prácticos, se utilizarán en interfaces con otros componentes, y, por lo tanto, es de vital importancia comprender también cómo las propiedades de las superficies del material pueden diferir del comportamiento en las profundidades de la muestra. Es más, Es primordial determinar cuantitativamente la escala de longitud sobre la que se desarrollan las propiedades completamente voluminosas.

Información dependiente de la profundidad de la espectroscopia de fotoelectrones en I09

La extracción experimental de información dependiente de la profundidad sobre el carácter metálico de los electrones no es tarea fácil. Sin embargo, Los cálculos teóricos realizados como parte de este estudio establecieron que el grado de "metalicidad" podría probarse indirectamente mediante una medición conocida como espectroscopia de fotoemisión. Estos cálculos fueron realizados por el profesor Gerrit van der Laan de Diamond y el profesor Munetaka Taguchi de Spring8 y NAIST. Japón. En esta técnica, se proyecta un haz de rayos X sobre la muestra de interés, expulsando electrones que se conocen como fotoelectrones. El perfil de energía de estos fotoelectrones revela información sobre los estados electrónicos dentro de la muestra, y se demostró que una característica 'satélite' angosta ubicada junto a los picos más convencionales que surgen de los electrones en una capa particular '2p' de manganeso podría interpretarse como una huella digital clara de la presencia de comportamiento metálico.

Dado que los fotoelectrones tienen que salir de la muestra a través de su superficie para ser detectados, uno podría esperar que la técnica fuera más sensible a los estados de los electrones cerca de la superficie de la muestra. Esto es generalmente cierto, pero sintonizando la energía del haz de rayos X entrante se puede variar la escala de longitud característica que se está probando en la medición. Con rayos X de mayor energía, los fotoelectrones expulsados ​​también tienen mayor energía, y puede salir de la muestra desde más adentro del material.

Aquí es donde entra en juego la línea de luz de Análisis estructural de superficie e interfaz (I09) en Diamond Light Source. I09 es una línea de luz muy versátil, en el que se pueden realizar mediciones de espectroscopía de fotoelectrones con excelente resolución, intensidad de haz alto, y, de manera crucial para este estudio, una gama excepcionalmente amplia de energías de rayos X. Estas características brindan a los investigadores la oportunidad de medir la superficie sensible a bajas energías, o utilizar altas energías para ver en profundidad la mayor parte de la muestra, con todas las demás consideraciones experimentales mantenidas constantes (tenga en cuenta que "profundo" en este contexto es todavía unas 500 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano). "En nuestras mediciones en I09 pudimos cuantificar y rastrear los detalles finos de la estructura electrónica dentro del mismo material en función de la profundidad, de la superficie a la masa ", describió Tommaso Pincelli, un estudiante de doctorado del CNR, Trieste y autor principal del estudio.

Escalas de longitud dependientes del material, pero la superficie siempre es diferente

Al realizar estas mediciones de espectroscopía de fotoelectrones dependientes de la energía en (Ga, Mn) As y La1-xSrxMnO3, los investigadores pudieron demostrar que el comportamiento metálico en la masa estaba fuertemente suprimido en la superficie. Los dos materiales diferentes mostraron diferentes escalas de longitud características necesarias para desarrollar propiedades similares a la masa:1,2 nm y 4 nm respectivamente. Estos son parámetros cruciales para diseñar cualquier dispositivo espintrónico basado en estos materiales:no solo es necesario que uno pueda diseñar la estructura atómica física con precisión subnanométrica, pero la variación de las propiedades electrónicas en estas escalas de longitud también es importante. "Estas escalas de longitud electrónicas son bastante significativas y deben tenerse en cuenta en el diseño de cualquier dispositivo futuro", concluyó el Dr. Giancarlo Panaccione. el autor correspondiente del estudio.