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 Хотя сам факт наличия непонятных объектов на снимках, которые американские астронавты сделали на Луне, известен давно, десятилетиями их списывали на химические дефекты светочувствительной эмульсии фотопленки или блики света в линзах камер. Новая публикация на сайте Пентагона признает их реально существующими объектами, хотя и не делает выводов о их природе.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Десятого мая 1940 года вермахт пришел в движение. Через 42 суток англо-французские армии были разгромлены, а Франция капитулировала. Как это произошло, ведь союзники имели больше солдат, танков и пушек, чем немцы? В СССР причиной посчитали нежелание французов воевать, немцы же, говорили советские военные, не внесли в стратегию ничего нового. Реальность была строго обратной: разгром Франции был новым словом в войне, и такой же сценарий Гитлер применил против СССР через год. Что именно произошло и отчего советское руководство не смогло осознать случившееся?
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
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.
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