O campo em expansão da spintrônica promete uma nova geração de dispositivos, aproveitando o grau de liberdade de spin do elétron além de sua carga para criar novas funcionalidades não possíveis com a eletrônica convencional. O efeito da magnetorresistência gigante (GMR) (Prêmio Nobel de Física 2007) é um exemplo paradigmático de aplicação da spintrônica. Como a interface entre os materiais magnéticos e não magnéticos é um componente chave de qualquer dispositivo, é crucial caracterizar e compreender as propriedades eletrônicas e magnéticas de superfície e de massa.

Em uma publicação recente em Nature Communications , uma joint venture entre teóricos, experimentalistas e produtores de amostras liderados por um grupo do Conselho Nacional de Pesquisa (CNR) de Trieste, Itália, relata um estudo sistemático de espectroscopia de fotoemissão de dois materiais representativos para aplicações de spintrônica, (Ga, Mn) As e La1-xSrxMnO3. Usando a energia de fótons da radiação síncrotron incidente da linha de luz de Análise Estrutural de Superfície e Interface (I09) na Fonte de Luz Diamond como uma ferramenta de perfil de profundidade, eles foram capazes de quantificar a variação na força da ordem magnética e a condução elétrica da superfície para o grosso do material. Este estudo estabelece as diferentes propriedades das superfícies em comparação com o volume e as profundidades "críticas" características necessárias para restaurar as propriedades do volume, que são informações cruciais para o projeto de quaisquer dispositivos spintrônicos baseados nesses materiais.

Desafio de materiais para aplicações de spintrônica

A eletrônica moderna depende da capacidade de controlar correntes em dispositivos de estado sólido, como transistores e diodos. Contudo, além de sua carga, elétrons possuem outra propriedade mecânica quântica conhecida como 'spin', que é responsável pelo fenômeno do magnetismo. Em materiais usados ​​para eletrônicos convencionais, como o silício, o giro é um grau redundante de liberdade, mas o objetivo do campo emergente da spintrônica é ser capaz de criar dispositivos nos quais as correntes de carga e spin possam ser controladas simultaneamente, permitindo uma nova geração de dispositivos lógicos e de memória.

Qualquer dispositivo spintrônico potencial precisará incorporar um material que seja magnético e eletricamente condutor, permitindo a propagação de uma 'corrente de spin'. Em termos gerais, duas abordagens de 'dopagem' para este desafio de materiais são concebíveis - seja pela introdução de elementos magnéticos como o manganês em um semicondutor não magnético, como (Ga, Mn) Como, ou introduzindo transportadores extras por, por exemplo, substituir alguns átomos de lantânio por um de estrôncio, desse modo doando um elétron adicional em La1-xSrxMnO3; em ambos os casos, pode-se induzir magnetismo. Pelo controle da composição química, é possível ajustar e otimizar as propriedades de massa do material, incluindo a densidade do portador e a temperatura crítica abaixo da qual o material é magnético (ou para ser preciso, ferromagnético). Contudo, se esses materiais forem usados ​​em dispositivos práticos, eles serão usados ​​em interfaces com outros componentes, e, portanto, é crucialmente importante entender também como as propriedades das superfícies do material podem diferir do comportamento nas profundezas da amostra. Além disso, é fundamental determinar quantitativamente a escala de comprimento sobre a qual se desenvolvem as propriedades do tipo bulk.

Informações dependentes de profundidade da espectroscopia de fotoelétrons em I09

Extrair experimentalmente informações dependentes da profundidade sobre o caráter metálico dos elétrons não é tarefa fácil. Contudo, cálculos teóricos realizados como parte deste estudo estabeleceram que o grau de 'metalicidade' poderia ser indiretamente sondado por meio de uma medição conhecida como espectroscopia de fotoemissão. Esses cálculos foram realizados pelo Professor Gerrit van der Laan da Diamond e pela Professora Munetaka Taguchi da Spring8 e NAIST, Japão. Nesta técnica, um feixe de raios-X é direcionado para a amostra de interesse, expulsando elétrons que são chamados de fotoelétrons. O perfil de energia desses fotoelétrons revela informações sobre os estados eletrônicos dentro da amostra, e foi mostrado que um estreito "satélite" localizado próximo aos picos mais convencionais originados de elétrons em uma camada "2p" particular de manganês poderia ser interpretado como uma impressão digital clara da presença de comportamento metálico.

Uma vez que os fotoelétrons têm que sair da amostra através de sua superfície para serem detectados, pode-se esperar que a técnica seja mais sensível aos estados do elétron próximos à superfície da amostra. Isso geralmente é verdade, mas, ao ajustar a energia do feixe de raios-X que chega, pode-se variar a escala de comprimento característica que está sendo sondada na medição. Com raios-X de alta energia, os fotoelétrons ejetados também têm maior energia, e pode sair da amostra mais profundamente dentro do material.

É aqui que entra a linha de luz de Análise Estrutural de Superfície e Interface (I09) na Diamond Light Source. I09 é uma linha de luz altamente versátil, em que as medições de espectroscopia de fotoelétrons podem ser realizadas com excelente resolução, intensidade do feixe alto, e - crucial para este estudo - uma ampla gama de energias de raios-X com exclusividade. Esses recursos dão aos pesquisadores a oportunidade de medir qualquer superfície sensível a baixas energias, ou usar altas energias para ver profundamente a maior parte da amostra, com todas as outras considerações experimentais mantidas constantes (note que 'profundo' neste contexto ainda é cerca de 500 vezes menor do que a largura de um cabelo humano!). "Em nossas medições em I09, fomos capazes de quantificar e rastrear os detalhes finos da estrutura eletrônica dentro do mesmo material em função da profundidade, da superfície para a massa ", descreveu Tommaso Pincelli, um estudante de doutorado do CNR, Trieste e um dos principais autores do estudo.

Escalas de comprimento dependentes do material - mas a superfície é sempre diferente

Ao realizar essas medições de espectroscopia de fotoelétrons dependentes de energia em (Ga, Mn) As e La1-xSrxMnO3, os pesquisadores conseguiram demonstrar que o comportamento metálico na massa foi fortemente suprimido na superfície. Os dois materiais diferentes mostraram diferentes escalas de comprimento características necessárias para desenvolver propriedades semelhantes a bulk:1,2 nm e 4 nm, respectivamente. Esses são parâmetros cruciais para projetar qualquer dispositivo spintrônico baseado nesses materiais:não é apenas necessário que se possa projetar a estrutura atômica física com precisão sub-nanométrica, mas a variação das propriedades eletrônicas nessas escalas de comprimento também é importante. "Essas escalas eletrônicas de comprimento são bastante significativas e devem ser levadas em consideração no projeto de quaisquer dispositivos futuros" concluiu o Dr. Giancarlo Panaccione, o autor correspondente do estudo.