p O desenvolvimento da spintrônica depende de materiais que garantam o controle do fluxo das correntes magneticamente polarizadas. Contudo, é difícil falar em controle quando os detalhes do transporte de calor pelas interfaces entre os materiais são desconhecidos. Esta lacuna térmica em nosso conhecimento de materiais acaba de ser preenchida graças a uma equipe de físicos polonês-alemães, que agora descreve em detalhes os fenômenos dinâmicos que ocorrem na interface entre um metal ferromagnético e um semicondutor. p A Spintrônica foi proposta como uma sucessora da eletrônica. Em dispositivos spintrônicos, correntes elétricas são substituídas por correntes de spin. Um material promissor para este tipo de aplicação parece ser uma heteroestrutura arsenieto de gálio / siliceto de ferro. Para cada quatro elétrons que passam por esta interface, até três carregam informações sobre a direção do momento magnético. Até aqui, Contudo, pouco se sabia sobre as propriedades dinâmicas da interface, que determinam o fluxo de calor. Uma colaboração entre o Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, o Karlsruhe Institute of Technology (KIT), o Paul Drude Institut für Festkörperelektronik em Berlim e o Centro de pesquisa DESY em Hamburgo finalmente ajudaram a preencher essa lacuna.

p "Os sistemas de Fe ₃ O siliceto de ferro si e o arsenieto de gálio GaAs são especiais. Os dois materiais diferem significativamente em propriedades:o primeiro é um material ferromagnético muito bom, o outro é um semicondutor. Por outro lado, as constantes de rede, ou seja, distâncias características entre os átomos, diferem apenas em 0,2 por cento em ambos os materiais, então eles são quase idênticos. Como resultado, esses materiais combinam bem, e não há defeitos ou tensões significativas perto da interface, "diz o Dr. Przemyslaw Piekarz (IFJ PAN).

p O grupo polonês se concentrou na preparação de um modelo teórico de vibrações da rede cristalina na estrutura testada. O programa de computador PHONON, criado e desenvolvido nos últimos 20 anos pelo Prof. Krzysztof Parlinski (IFJ PAN), desempenhou um papel importante aqui. Usando as leis básicas da mecânica quântica, as forças de interação entre os átomos foram calculadas, e isso permitiu aos pesquisadores resolver equações que descrevem o movimento dos átomos em redes de cristal.

p Dr. Malgorzata Sternik (IFJ PAN), quem realizou a maioria dos cálculos, explica:"Em nosso modelo, o substrato é arsenieto de gálio, e sua camada mais externa consiste em átomos de arsênio. Acima dele, há camadas de ferro-silício e ferro dispostas alternadamente. As vibrações atômicas são diferentes para um cristal sólido, e perto da interface. É por isso que estudamos como o espectro de vibrações muda dependendo da distância da interface. "

p A dinâmica dos átomos nos cristais não é aleatória. Os materiais cristalinos são caracterizados por uma ordem de longo alcance. Como consequência, o movimento dos átomos não é caótico aqui, mas segue certo, às vezes muito complexo, padrões. As ondas acústicas transversais são as principais responsáveis ​​pela transferência de calor. Isso significa que ao analisar a dinâmica da rede, os pesquisadores tiveram que prestar atenção especial às vibrações atômicas que ocorrem no plano paralelo à interface. Se as ondas de vibração dos átomos em ambos os materiais fossem combinadas entre si, o calor fluiria efetivamente através da interface.

p "Medir o espectro de vibrações atômicas em camadas ultrafinas é um dos grandes desafios da física experimental do estado sólido, "explica o cientista líder Dr. Svetoslav Stankov (KIT)." Graças ao excelente desempenho das fontes de radiação síncrotron, somos capazes, via espalhamento inelástico nuclear, para medir diretamente o espectro de energia das vibrações atômicas em nanomateriais com altíssima resolução. Em nosso experimento, o feixe síncrotron foi orientado paralelamente ao plano da interface. Desta maneira, fomos capazes de observar vibrações atômicas paralelas ao Fe ₃ Interface Si / GaAs. Além disso, o método experimental é específico do elemento, implicando que os dados obtidos estão praticamente livres de fundo ou outros artefatos. "

p Ge / Fe ₃ Amostras de Si / GaAs contendo vários números de Fe ₃ Monocamadas de Si (3, 6, 8 e 36) foram preparados no Paul Drude Institut für Festkörperelektronik por Jochen Kalt, um Ph.D. estudante do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe. O experimento foi realizado no Dynamics Beamline P01 da fonte de radiação síncrotron Petra III em Hamburgo.

p Descobriu-se que, apesar dos parâmetros de rede semelhantes de ambos os materiais, as vibrações dos átomos da interface diferem drasticamente daquelas na massa. Os cálculos dos primeiros princípios estavam perfeitamente alinhados com as observações experimentais, reproduzindo os novos recursos no espectro de energia de vibrações atômicas de interface.

p "A combinação quase perfeita entre a teoria e o experimento abre caminho para a nanoengenharia de fônons de interface que levará ao projeto de heteroestruturas termoelétricas mais eficientes e estimulará um maior progresso na gestão térmica e nanofonônica, "conclui o Dr. Stankov.

p O Fe ₃ A interface Si / GaAs provou ser um sistema de modelo perfeito para estudar fenômenos de interface dinâmicos e spintrônicos. No futuro, a equipe de pesquisa planeja estender este trabalho para melhor compreender as propriedades eletrônicas e magnéticas deste material promissor.