Le développement de la spintronique repose sur des matériaux qui garantissent le contrôle du flux de courants polarisés magnétiquement. Cependant, il est difficile de parler de contrôle lorsque les détails du transport de chaleur à travers les interfaces entre les matériaux sont inconnus. Cette lacune thermique dans notre connaissance des matériaux vient d'être comblée grâce à une équipe de physiciens germano-polonaise, qui décrivent maintenant en détail les phénomènes dynamiques se produisant à l'interface entre un métal ferromagnétique et un semi-conducteur.

La spintronique a été proposée comme successeur de l'électronique. Dans les dispositifs spintroniques, les courants électriques sont remplacés par des courants de spin. Un matériau prometteur pour ce type d'application semble être une hétérostructure arséniure de gallium/siliciure de fer. Pour chaque quatre électrons passant par cette interface, jusqu'à trois portent des informations sur la direction du moment magnétique. Jusque là, cependant, on en savait peu sur les propriétés dynamiques de l'interface, qui déterminent le flux de chaleur. Une collaboration entre l'Institut de Physique Nucléaire de l'Académie Polonaise des Sciences (IFJ PAN) à Cracovie, l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), le Paul Drude Institut für Festkörperelektronik de Berlin et le centre de recherche DESY de Hambourg ont finalement contribué à combler cet écart.

"Les systèmes de Fe 3 Le siliciure de fer Si et l'arséniure de gallium GaAs sont spéciaux. Les deux matériaux diffèrent sensiblement par leurs propriétés :Le premier est un très bon matériau ferromagnétique, l'autre est un semi-conducteur. D'autre part, les constantes de réseau, c'est-à-dire les distances caractéristiques entre les atomes, ne diffèrent que de 0,2 pour cent dans les deux matériaux, donc ils sont presque identiques. Par conséquent, ces matériaux se combinent bien, et il n'y a pas de défauts ou de contraintes importantes à proximité de l'interface, " déclare le Dr Przemyslaw Piekarz (FIJ PAN).

Le groupe polonais s'est concentré sur la préparation d'un modèle théorique des vibrations du réseau cristallin dans la structure testée. Le programme informatique PHONON, créé et développé au cours des 20 dernières années par le Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), joué ici un rôle important. En utilisant les lois fondamentales de la mécanique quantique, les forces d'interactions entre atomes ont été calculées, et cela a permis aux chercheurs de résoudre des équations décrivant le mouvement des atomes dans les réseaux cristallins.

Dr Malgorzata Sternik (FIJ PAN), qui a effectué la plupart des calculs, explique :« Dans notre modèle, le substrat est de l'arséniure de gallium, et sa couche la plus externe est constituée d'atomes d'arsenic. Au dessus de, il y a alternativement des couches de fer-silicium et de fer. Les vibrations atomiques sont différentes pour un cristal solide, et près de l'interface. C'est pourquoi nous avons étudié comment le spectre des vibrations change en fonction de la distance à l'interface."

La dynamique des atomes dans les cristaux n'est pas aléatoire. Les matériaux cristallins sont caractérisés par un ordre à longue distance. En conséquence, le mouvement des atomes n'est pas chaotique ici, mais suit certains, parfois très complexe, motifs. Les ondes acoustiques transversales sont principalement responsables du transfert de chaleur. Cela signifie que lors de l'analyse de la dynamique du réseau, les chercheurs ont dû porter une attention particulière aux vibrations atomiques se produisant dans le plan parallèle à l'interface. Si les ondes de vibration des atomes dans les deux matériaux étaient adaptées les unes aux autres, la chaleur s'écoulerait efficacement à travers l'interface.

"Mesurer le spectre des vibrations atomiques dans les couches ultrafines est l'un des grands défis de la physique expérimentale du solide, " explique l'éminent scientifique Dr. Svetoslav Stankov (KIT). " Grâce aux performances exceptionnelles des sources de rayonnement synchrotron, nous sommes capables, par diffusion inélastique nucléaire, mesurer directement le spectre énergétique des vibrations atomiques dans les nanomatériaux à très haute résolution. Dans notre expérience, le faisceau synchrotron était orienté parallèlement au plan de l'interface. De cette façon, nous avons pu observer des vibrations atomiques parallèles au Fe 3 Interface Si/GaAs. Par ailleurs, la méthode expérimentale est spécifique à l'élément, ce qui implique que les données obtenues sont pratiquement exemptes de bruit de fond ou d'autres artefacts."

Ge/Fe 3 Échantillons Si/GaAs contenant divers nombres de Fe 3 monocouches de Si (3, 6, 8 et 36) ont été préparés au Paul Drude Institut für Festkörperelektronik par Jochen Kalt, un doctorat étudiant à l'Institut de technologie de Karlsruhe. L'expérience a été réalisée sur la Dynamics Beamline P01 de la source de rayonnement synchrotron Petra III à Hambourg.

Il s'est avéré que malgré les paramètres de réseau similaires des deux matériaux, les vibrations des atomes d'interface diffèrent considérablement de celles de la masse. Les premiers calculs des principes étaient parfaitement en accord avec les observations expérimentales, reproduire les nouvelles caractéristiques du spectre d'énergie des vibrations atomiques d'interface.

« La correspondance presque parfaite entre la théorie et l'expérience ouvre la voie à une nano-ingénierie des phonons d'interface qui conduira à la conception d'hétérostructures thermoélectriques plus efficaces et stimulera de nouveaux progrès dans la gestion thermique et la nanophononique, " conclut le Dr Stankov.

Le Fe 3 L'interface Si/GaAs s'est avérée être un système modèle parfait pour étudier les phénomènes d'interface dynamique et spintronique. À l'avenir, l'équipe de recherche prévoit d'étendre ces travaux pour mieux comprendre les propriétés électroniques et magnétiques de ce matériau prometteur.