Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Физики узнали, как контролировать намагниченность на наноуровне
Ученые из МФТИ и СПбГУ с европейскими коллегами научились определять направление магнитного момента атомов лантаноидов в приповерхностных индивидуальных слоях кристаллов по спектру фотоэмиссии. С помощью разработанного метода ученые смогут надежно осуществлять контроль за направлением магнитного момента в тонкопленочных монокристаллических соединениях лантаноидов в зависимости от температуры и структуры соединений. Предложенный подход будет полезен при разработке широко круга технологически значимых гетероструктур и слоистых нанообъектов, мономолекулярных магнитов, а также магнитно активных супрамолекулярных соединений, содержащих лантаноиды.
Работа опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters. Лантаноиды — это семейство редкоземельных металлов, обладающих большим магнитным моментом. Сегодня лантаноиды находят широкое применение в производстве электроники, магнитов, лазеров, оптического волокна, металлургии, химической и ядерной промышленности и множестве других областей. По химическим свойствам лантаноиды очень схожи между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов. В соединениях лантаноиды в большинстве случаев оказываются трехвалентными. По мере увеличения заряда ядра внешние 5d- и 6s-электронные оболочки остаются незаполненными, но происходит заполнение сильно локализованных 4f-электронных орбиталей.
Электроны 4f-оболочки и определяют магнитные свойства лантаноидов. Поскольку электроны частично заполняют 4f-оболочку, ее форма оказывается несимметричной и возникает магнитный момент. В соединениях на эту электронную оболочку действует электрическое поле самого кристалла, и при низкой температуре она поворачивается, чтобы минимизировать энергию. С ней поворачивается и магнитный момент. Когда температура растет, повышается вероятность перехода электронов на более высокие энергетические уровни — меняется форма оболочки, ее ориентация и среднее направление магнитного момента. Ученым важно знать зависимость направления от температуры и строения материалов, чтобы создавать наноструктуры из лантаноидов с заданными магнитными параметрами. Такие структуры, например, применяются в спиновой электронике — когда информацию переносит не электрический ток, а ток спинов.
В предыдущей работе физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и СПбГУ показали, что наклон магнитных моментов сильно влияет на спектр фотоэмиссии 4f-электронов. Фотоэмиссия — физический метод исследования, основанный на выбивании светом электронов с поверхности материала. Эти электроны попадают в анализатор, который измеряет их энергию. Ученые предположили, что по фотоэмиссионным спектрам, снятым при разных температурах, можно определить наклон магнитных моментов и его температурную зависимость.
Первый автор работы, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ Дмитрий Усачев рассказывает: «Фотоэмиссия хорошо подходит для изучения слоистых двумерных систем. Нашей задачей было разработать методологию, которая бы позволяла, анализируя данные фотоэмиссии, получить информацию о магнетизме. В частности, о том, куда направлены магнитные моменты в приповерхностной области кристалла.
В качестве модельной системы мы взяли два материала, у которых в объеме магнитные моменты могут поворачиваться с температурой: изменяем температуру — меняется направление магнитных моментов. Мы хотели проследить это изменение, анализируя 4f-электроны, которые как раз обеспечивают весь магнетизм в этих системах. И оказалось, что да: можем проследить, если провести довольно точные измерения фотоэмиссии 4f-оболочки».
В новом исследовании физики измеряли фотоэмиссию систем гольмий-родий-2-кремний-2 (HoRh2Si2) и диспрозий-родий-2-кремний-2 (DyRh2Si2). Анализируя спектры, полученные при различных температурах, ученые смогли проследить изменение наклона магнитного момента в приповерхностных слоях кристаллов.
Сначала физики исследовали магнитные свойства в объеме кристаллов, в частности, измеряли зависимость магнитной восприимчивости от температуры. Ниже 11,5 кельвина в кристалле соединения гольмия возникала температурная зависимость наклона магнитного момента от оси кристалла. По экспериментальным данным ученые построили модель, описывающую электрическое поле кристалла и магнитные свойства материала. Затем параметры модели изменили для расчетов свойств на поверхности кристалла. Оказалось, что теоретически наклон магнитных моментов на поверхности может значительно отличаться от наклона в объеме.
Затем исследователи измерили фотоэмиссионные спектры кристаллов гольмия и диспрозия. Интенсивность спектра электронов некоторых энергетических уровней резко менялась при 11,5 кельвина. Именно при этой температуре возникало изменение наклона в объеме кристалла. Чтобы выстроить полную связь между фотоэмиссией и наклоном магнитных моментов, физики рассмотрели две модели: в первой параметры кристаллического поля вблизи поверхности считались такими же, как в объеме, исследованном в первой части работы, а во второй использовались расчетные параметры для поверхности. Оказалось, что только во втором случае рассчитанные температурные зависимости спектров отлично совпадали с измеренными. Таким образом ученые показали, что, имея данные фотоэмиссии, можно рассчитать наклон магнитных моментов при заданной температуре.
Более того, отклонение моментов от нормали в верхних атомных слоях зависит от того, какими атомами образована поверхность. В случае когда кристалл оканчивался слоем кремния, магнитные моменты в приповерхностном слое гольмия отклонялись меньше от нормали, чем в объеме кристалла, а когда на поверхности оказывался слой гольмия, спектры фотоэмиссии указывали на более сильное отклонение моментов. Такое поведение объясняется различным электрическим полем в объеме и на поверхности кристалла. Это знание может быть важным при изготовлении пленок и гетероструктур из подобных материалов.
Дмитрий Усачев добавляет: «Как правило, спектры 4f-мультиплетов в широком энергетическом диапазоне считаются хорошо изученными и поэтому мало привлекают внимание ученых к изучению их тонкой структуры. Наш посыл был — показать необходимость детального анализа таких спектров, которые, очевидно, содержат полезную информацию о магнитных свойствах 4f-систем. В дальнейшем мы планируем повысить чувствительность метода, чтобы изучать материалы с малыми примесями лантаноидов. Также, если мы будем делать какой-то интерфейс, соединять разные материалы, то на интерфейсе направление момента тоже может отличаться от того, что в объеме, и, возможно, в некоторых применениях нужно будет учитывать этот факт».
«На данный момент мы готовим эксперименты по изучению магнитной системы данного материала при помощи спинчувствительной сканирующей туннельной спектроскопии, которая была недавно реализована в нашем центре», — рассказывает Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
В работе, кроме сотрудников Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, принимали участие их коллеги из СПбГУ, МИСиС, ВНИИ автоматики им. Н. Л. Духова,Технического университета Дрездена, Берлинского центра материалов и энергии им. Гельмгольца и Франкфуртского университета имени Гете (Германия), а также Международного физического центра Доностии и Баскского фонда науки (Испания).
Telegram 
Дзен 
VK За последние 10 тысяч лет направленный естественный отбор способствовал эволюции почти 500 генов в ДНК жителей Западной Евразии, что повлияло на их внешний вид и восприимчивость к различным заболеваниям, установили авторы нового исследования.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
Ветер на спутнике Сатурна Титане способен поднимать огромные волны, даже если он очень слабый. Эти волны формируют берега, переносят осадки, перемешивают жидкости и даже влияют на климат луны. Изучая их, планетологи могут понять, как устроены потенциально обитаемые миры за пределами Земли.
За последние 10 тысяч лет направленный естественный отбор способствовал эволюции почти 500 генов в ДНК жителей Западной Евразии, что повлияло на их внешний вид и восприимчивость к различным заболеваниям, установили авторы нового исследования.
Ученые продолжают исследовать фундаментальные частицы на неделимость. На этот раз на БАК исследовали кварки и не нашли у них признаков составной частицы.
Что, если развитые цивилизации во Вселенной не исчезают навсегда, а периодически «выключаются», переживая циклы коллапсов и восстановлений? Модель, разработанная авторами нового исследования, показывает, что такая прерывистая жизнь может объяснить космическую тишину — и переосмыслить будущее Земли.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно