El desarrollo de la espintrónica depende de materiales que garanticen el control del flujo de corrientes magnéticamente polarizadas. Sin embargo, Es difícil hablar de control cuando se desconocen los detalles del transporte de calor a través de las interfaces entre los materiales. Este vacío térmico en nuestro conocimiento de los materiales se acaba de llenar gracias a un equipo de físicos polaco-alemanes, quienes ahora describen en detalle los fenómenos dinámicos que ocurren en la interfaz entre un metal ferromagnético y un semiconductor.

La espintrónica se ha propuesto como sucesora de la electrónica. En dispositivos espintrónicos, las corrientes eléctricas son reemplazadas por corrientes de espín. Un material prometedor para este tipo de aplicación parece ser una heteroestructura de arseniuro de galio / siliciuro de hierro. Por cada cuatro electrones que pasan a través de esta interfaz, hasta tres llevan información sobre la dirección del momento magnético. Hasta aquí, sin embargo, poco se sabía sobre las propiedades dinámicas de la interfaz, que determinan el flujo de calor. Una colaboración entre el Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (FIP PAN) en Cracovia, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), el Paul Drude Institut für Festkörperelektronik en Berlín y el Centro de investigación DESY en Hamburgo finalmente han ayudado a cerrar esta brecha.

"Los sistemas de Fe ₃ El siliciuro de hierro si y el arseniuro de galio GaAs son especiales. Los dos materiales difieren significativamente en propiedades:el primero es un material ferromagnético muy bueno, el otro es un semiconductor. Por otra parte, las constantes de celosía, es decir, distancias características entre átomos, difieren solo en un 0,2 por ciento en ambos materiales, por lo que son casi idénticos. Como resultado, estos materiales combinan bien, y no hay defectos o tensiones significativas cerca de la interfaz, "dice el Dr. Przemyslaw Piekarz (FIP PAN).

El grupo polaco se centró en la preparación de un modelo teórico de vibraciones de celosía cristalina en la estructura probada. El programa informático PHONON, creado y desarrollado durante los últimos 20 años por el profesor Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), jugó un papel importante aquí. Usando las leyes básicas de la mecánica cuántica, se calcularon las fuerzas de interacciones entre átomos, y esto permitió a los investigadores resolver ecuaciones que describen el movimiento de los átomos en redes de cristales.

Dra. Malgorzata Sternik (FIP PAN), quién realizó la mayoría de los cálculos, explica:"En nuestro modelo, el sustrato es arseniuro de galio, y su capa más externa está formada por átomos de arsénico. Sobre eso, hay capas de hierro-silicio y hierro dispuestas alternativamente. Las vibraciones atómicas son diferentes para un cristal sólido, y cerca de la interfaz. Es por eso que estudiamos cómo cambia el espectro de vibraciones dependiendo de la distancia desde la interfaz ".

La dinámica de los átomos en los cristales no es aleatoria. Los materiales cristalinos se caracterizan por un orden de largo alcance. Como consecuencia, el movimiento de los átomos no es caótico aquí, pero sigue cierto, a veces muy complejo, patrones. Las ondas acústicas transversales son las principales responsables de la transferencia de calor. Esto significa que al analizar la dinámica de la celosía, los investigadores tuvieron que prestar especial atención a las vibraciones atómicas que ocurren en el plano paralelo a la interfaz. Si las ondas de vibración de los átomos en ambos materiales coincidieran entre sí, el calor fluiría efectivamente a través de la interfaz.

"Medir el espectro de vibraciones atómicas en capas ultradelgadas es uno de los grandes desafíos en la física experimental del estado sólido, "explica el destacado científico Dr. Svetoslav Stankov (KIT)." Gracias al excelente rendimiento de las fuentes de radiación de sincrotrón, estamos disponibles, a través de la dispersión inelástica nuclear, para medir directamente el espectro de energía de las vibraciones atómicas en nanomateriales con muy alta resolución. En nuestro experimento, el haz de sincrotrón se orientó paralelo al plano de la interfaz. De este modo, pudimos observar vibraciones atómicas paralelas al Fe ₃ Interfaz Si / GaAs. Es más, el método experimental es específico del elemento, lo que implica que los datos obtenidos están prácticamente libres de antecedentes u otros artefactos ".

Ge / Fe ₃ Muestras de Si / GaAs que contienen varios números de Fe ₃ Monocapas de Si (3, 6, 8 y 36) fueron preparados en el Paul Drude Institut für Festkörperelektronik por Jochen Kalt, un doctorado estudiante en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe. El experimento se llevó a cabo en Dynamics Beamline P01 de la fuente de radiación de sincrotrón Petra III en Hamburgo.

Resultó que a pesar de los parámetros de celosía similares de ambos materiales, las vibraciones de los átomos de la interfaz difieren drásticamente de las de la masa. Los primeros cálculos de principios estaban perfectamente en línea con las observaciones experimentales, reproducir las características novedosas en el espectro de energía de las vibraciones atómicas de interfaz.

"La combinación casi perfecta entre la teoría y el experimento allana el camino hacia la nanoingeniería de fonones de interfaz que conducirá al diseño de heteroestructuras termoeléctricas más eficientes y estimulará un mayor progreso en la gestión térmica y la nanofonónica". "concluye el Dr. Stankov.

El Fe ₃ La interfaz Si / GaAs ha demostrado ser un sistema modelo perfecto para estudiar los fenómenos de interfaz dinámica y espintrónica. En el futuro, el equipo de investigación tiene previsto ampliar este trabajo para comprender mejor las propiedades electrónicas y magnéticas de este prometedor material.