Spinzustand „fest“ in einem künstlichen Wabengitter

In bestimmten wissenschaftlichen Kreisen wird die magnetische Korrelation bei niedrigen Temperaturen in einem zweidimensionalen künstlichen magnetischen Wabengitter diskutiert. Theoretiker argumentieren, dass ein solches System die Bildung eines Festkörpers ohne Spinentropie * nachweisen kann . In der Praxis wurden solche Eigenschaften jedoch noch nicht entdeckt. Diese Studie macht einen sicheren Schritt zum Verständnis der oben genannten Phänomene. Was genau die Forscher lernen konnten, werden wir dank ihres Berichts verstehen. Lass uns gehen.

Entropie * - in einfachen Worten, dies ist der Zustand eines Systems, dessen Elemente nicht geordnet sind, d.h. chaotisch.

Diese Studie konzentriert sich auf die Untersuchung der magnetischen Korrelation im künstlichen Permalloy- Wabengitter * . Die Abmessungen der Elemente betrugen etwa 12 nm (Länge) bei 5 nm (Breite) bei 10 nm (Dicke). Ein wichtiger Indikator bei der Ableitung der Ergebnisse der Studie war die Neutronenstreuung * und die temperaturabhängige mikromagnetische Simulation.

Permalloy * ist eine Legierung aus Eisen und Nickel mit weichmagnetischen Eigenschaften. Solche Materialien haben die Eigenschaften eines Ferri- oder Ferromagneten und ihre Koerzitivkraft (Magnetfeldstärke, die für die vollständige Entmagnetisierung des Materials erforderlich ist) beträgt nicht mehr als 4 kA / m.

Neutronenstreuung * - werden in zwei Haupttypen unterteilt: elastische und nichtelastische Streuung. Mit Elastic können Sie die Struktur von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen untersuchen, da nur Streuung berücksichtigt wird, wenn Atome nicht in einen angeregten Zustand übergehen. Bei nichtelastischer Neutronenstreuung kann man durch das Auftreten von Anregungsprozessen in Atomen Daten über Bindungen in Materie erhalten. Die Neutronenstreuung eignet sich hervorragend zur Analyse magnetischer Materialien, da Neutronen magnetische Eigenschaften haben und als Elementarmagnete wirken.

Die numerische Simulation von Reflektometrie * polarisierten Neutronendaten erklärt die temperaturabhängige Entwicklung der Spin-Korrelation in diesem System.

Neutronenreflektometrie * - Ein Neutronenstrahl fällt auf eine flache Probe, die Partikel streut. Ab einem bestimmten Winkel werden Beobachtungen dieser Partikel gemacht. Das erhaltene Winkelspektrum ermöglicht es uns, die magnetischen Eigenschaften der Elemente der Testprobe zu bestimmen.

Wenn die Temperatur auf ~ 7 K abfällt, versucht das System, einen neuen Spin-Festkörper zu entwickeln, der sich in der wechselnden Verteilung der magnetischen Wirbelströme * entgegengesetzter Chiralitäten * manifestiert.

Wirbelströme * - elektrischer Strom, der in den Leitern entsteht, wenn sich der Fluss des auf sie einwirkenden Magnetfelds mit der Zeit ändert.

Chiralität * - Asymmetrie (mangelnde Symmetrie) der rechten und linken Seite eines Objekts.

Ergänzt werden die Testergebnisse durch temperaturabhängige mikromagnetische Simulationen, die das Vorherrschen des Spin-Festkörpers gegenüber dem geordneten Zustand der magnetischen Ladung in einem künstlichen Zellgitter bestätigen. Diese Daten ermöglichen es, die Korrelation eines neuen Spin-Festkörpers in einem zweidimensionalen künstlichen Wabengitter zu untersuchen.

Systemgrundlagen und Forschung

Ein zweidimensionales Wabengitter ist eine ideale Grundlage, um viele Eigenschaften magnetischer Materialien sowie deren Wechselwirkung innerhalb eines einzigen Systems zu testen. Besondere Aufmerksamkeit widmeten die Forscher ungewöhnlichen Dingen wie verschiedenen Materiezuständen: Spineis * , Spinnflüssigkeiten * und Spinnfeststoff, die durch die Verteilung magnetischer Wirbelströme entgegengesetzter Chiralitäten entstehen.

Spineis * ist eine Substanz, bei der die magnetischen Momente von Atomen wie bei Protonen in gewöhnlichem Eis geordnet sind.

Spinflüssigkeit * ist ein Zustand von Systemen, in dem das Wort „Flüssigkeit“ verwendet wird, um die Tatsache ungeordneter Spins hervorzuheben, die sich vom ferromagnetischen Spinzustand unterscheiden, ebenso wie sich der Zustand von Wasser (Flüssigkeit) vom Zustand von Eis (Kristallstruktur) unterscheidet. Der Hauptunterschied zwischen der Spinflüssigkeit besteht darin, dass dieser Zustand auch bei den niedrigsten Temperaturen erhalten bleibt.

Ein wichtiger Aspekt ist die Tatsache, dass eine komplexe Vielzahl von magnetischen Phasen kontrollierter Entropie, von denen vorhergesagt wird, dass sie in einem künstlichen Wabengitter als Funktion der Temperatursenkung auftreten, im Austauschmaterial nicht realisiert werden kann.

Neuere theoretische Studien legen nahe, dass das Wabengitter bei hohen Temperaturen die Eigenschaften eines Paramagneten * aufweist , der einem Gas mit einer magnetischen Ladung von ± 1 und ± 3 entspricht.

Paramagnet * - eine Substanz, die durch ein externes Magnetfeld magnetisiert werden kann, hat eine positive magnetische Suszeptibilität, ist aber viel niedriger als Eins.

Wenn die Temperatur sinkt, schaltet das System aus einem Spin-Eis-Zustand um, wenn die magnetischen Momente nach dem Prinzip „2 in und 1 out“ oder „1 in und 2 out“ liegen. Das heißt, 2 magnetische Momente (oder 1 in der zweiten Ausführungsform) sind innerhalb der Zelle des Wabengitters gerichtet, und 1 Moment (oder 2 in der zweiten Ausführungsform) ist nach außen gerichtet.

Ein weiterer Temperaturabfall führt zur Bildung eines neuen Ordnungsregimes, das durch eine topologische „Ladungsordnung“ mit einer magnetischen Ladung von ± 1 gekennzeichnet ist. ( Bild Nr. 3 ).

In diesem Fall wird erwartet, dass die Wärmemenge der Stärke der Dipolwechselwirkung * (≈D) entspricht.

Dipolwechselwirkung * - die Wechselwirkung zweier magnetischer Dipole (die Grenze entweder einer geschlossenen Schleife eines elektrischen Stroms oder eines Pluspaares, da die Größe der Quelle auf Null reduziert wird, während ein konstantes magnetisches Moment beibehalten wird).

Bei viel niedrigeren Temperaturen geht das System in einen Zustand der Spinordnung von Wirbelströmen ohne Entropie über, der kurz als Zustand eines Spinfeststoffs bezeichnet werden kann. Dies ist eine neue magnetische Phase ohne Entropie und Magnetisierung.


Bild Nr. 3 (zur Vereinfachung der Anzeige hier und im Folgenden)

Eine detaillierte Untersuchung der Parameter der polarisierten Neutronenreflektometrie und der Kleinwinkel-Neutronenstreuung * ergab die Bildung einer zusätzlichen magnetischen Dispersion aus Korrelationen in der Ebene mit einem Temperaturabfall auf 7 K.

Kleinwinkel-Neutronenstreuung * ist die elastische Streuung eines Neutronenstrahls durch Inhomogenitäten einer Substanz, deren Abmessungen die Strahlungswellenlänge λ = 0,1–1 nm überschreiten.

Die Diffusionsstreuung wird perfekt durch numerische Simulation der Spin-Festkörperkonfiguration bestimmt, wobei die magnetischen Momente zusammen mit den Verbindungselementen des Permalloy-Wabengitters eine wechselnde Ordnung von Wirbelströmen entgegengesetzter Chiralitäten aufweisen.

Die Bildung des Zustands eines Spin-Feststoffs wurde auch unabhängig von anderen Indikatoren durch temperaturabhängige mikromagnetische Modellierung bestätigt, die die Entwicklung der Temperaturabhängigkeit der Spin-Korrelation in einem Wabengitter mit den gleichen Abmessungen seiner Elemente zeigte.

Die Grundlage für Versuche, den Spinzustand eines Festkörpers zu erreichen, ist derzeit das Elektronenstrahllithographieverfahren zur Herstellung von Proben. Diese Methode führt zu Stichproben kleiner Größe, jedoch mit großen Elementarparametern. In der Regel weist ein solches Wabengitter auf ein hohes Energieniveau von Interelementbindungen ≈104 K hin.

Kürzlich wurde jedoch ein neuer Typ eines Wabengitters vorgeschlagen, das aus sehr dünnen (einige Angström * ) und gut getrennten großen Permalloy-Elementen (Länge ~ 500 nm, Breite 20-50 nm) besteht. In diesem Fall wird die Energie zwischen den Elementen stark reduziert.

Angström * - 1 Å = 0,1 nm.

Für die Tests wurde ein Wabengitter mit sehr kleinen Bestandteilen gewählt, da ihre geringe Größe an sich die elektrostatische Energie von etwa 12 auf 15 K stark reduziert. Daher eignet sich diese Option am besten zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit magnetischer Phasen.

Die Ergebnisse der Experimente und ihre Analyse

Um ein Wabengitter zu erzeugen, war es notwendig, ein hexagonales Copolymer-Diblockmuster (bestehend aus zwei gepaarten Blöcken) zu synthetisieren und die Permalloy im Ultrahochvakuum * mit der Oberfläche des Siliziumsubstrats zu verbinden.

Ultrahochvakuum * - ein Gasmedium mit einer sehr geringen Gasdichte bei einem Druck von 10 bis ⁹ mm Hg und unten.

Ähnliche Diblockcopolymermuster wurden auch verwendet, um nanostrukturierte Materialien zu erzeugen.

Unter geeigneten physikalischen Bedingungen neigt das Diblockcopolymer zur Selbstorganisation, während eine Einkomponentenprobe große periodische Strukturen erzeugt.

Die Einfachheit der Einstellung der Struktureigenschaften und Gitterparameter durch Änderung der Zusammensetzung und / oder des Molekulargewichts des Diblockcopolymers ermöglicht die Herstellung vieler Nanomaterialien. Ein markantes Beispiel ist die Erzeugung von Nanopunkten, Nanoringen und Nanopartikelknoten.

Vor relativ kurzer Zeit haben Diblockmuster in Verbindung mit GLAD (Glancing Angle Deposition) die Erzeugung gerichteter hierarchischer Strukturen von Metallnanopartikeln ermöglicht.


Bild Nr. 1a

Das Bild oben ( 1a ) zeigt eine Fotografie einer Zellgitterprobe, die mit einem Rasterkraftmikroskop * aufgenommen wurde .

Rasterkraftmikroskop * - ermöglicht die Bestimmung der Oberflächentopographie mit einer Auflösung von bis zu atomar.

Messungen, die durch Kleinwinkel-Röntgenstreuung bei gleitendem Einfall (GISAS) erhalten wurden, zeigten eine hohe Qualität der Probenstrukturen. GISAS bieten die Möglichkeit, die strukturellen Merkmale des Systems genauer zu betrachten. Für solche Messungen wurde eine Ga K _α * -Quelle mit einer Wellenlänge von 1,34 Å und einem Einfallswinkel von 0,15 ° verwendet.

Die Zigban-Notation * - wird in der Röntgenspektroskopie verwendet, um die Spektrallinien zu benennen (ein Merkmal des Spektrumsabschnitts, das sich in einer lokalen Abnahme oder Zunahme des Signalpegels manifestiert).

Zur Abschwächung des reflektierten Strahls wurde eine 1 mm dicke Edelstahlfolie verwendet.


Bild # 1b

In dem Bild oben ( 1b ) ist zu sehen, dass die Bindungslänge = 12 nm, die Breite = 5 nm und die Gittersegregation = 31 nm sind.

Der zweite und dritte Peak entsprechen einem zweidimensionalen hexagonalen Gitter. Es wird auch angemerkt, dass sich Peaks höherer Ordnung mit dem Hintergrund in den Daten überlappen, was aufgrund einer möglichen Probenheterogenität entsteht. Die Größen der Bestandteile des Gitters variieren innerhalb der für die Forschung erforderlichen Grenzen von 12 × 5 nm. Diese Abweichungen haben jedoch keinen starken Einfluss, da sich selbst die Energie zwischen den Elementen sehr unwesentlich ändert (um weniger als 2 K bei Dimensionsänderungen um 2 nm).

Die Modellierung von GISAXS-Daten bestätigte das Vorhandensein einer großen Domäne (Region) mit großer struktureller Ordnung im Wabengitter (Parakristallkorrelationslänge = 250 nm).

Um die Korrelation zwischen magnetischen Momenten und zellulären Elementen zu untersuchen, wurden Experimente mit polarisierten Neutronen, nämlich Reflektometrie, sowie GISAXS durchgeführt. Die Kombination dieser Verfahren ermöglichte es uns, die magnetische Korrelation im Wabengitter auf einer Skala von 5 nm bis 10 μm zu untersuchen.


Bild Nr. 2

Abbildung 2 zeigt die Messindizes unterschiedlicher Reflexionsintensitäten für Neutronen im Spin-up- und Spin-down-Zustand sowie bei einer Temperatur von 300 K und 7 K.
Die y-Achse repräsentiert den Streuungsvektor außerhalb der Ebene (Formel Nr. 1). Die Differenz zwischen den z-Komponenten der einfallenden und ausgehenden Wellenvektoren (Formel Nr. 2) wird durch die x-Achse angezeigt.


Formeln Nr. 1 und Nr. 2

Somit entsprechen die vertikalen und horizontalen Richtungen Korrelationen außerhalb der Ebene und innerhalb der Ebene. Die Reflexion entspricht x = 0. Ein deutlicher Unterschied zwischen Streuung bei hohen und niedrigen Temperaturen ist sichtbar.

Bei einer Temperatur von T = 300 K ist die Reflexionsintensität um mehr als 2 Größenordnungen stärker als bei Nichtspiegeldaten, was für solche Systeme sehr häufig ist.

Es wird auch eine leichte Streuung in Nichtspiegelbereichen beobachtet, die durch die paramagnetische Natur des Moments und die Wabenstruktur als solche verursacht wird.

Wenn die Temperatur der Probe auf 7 K verringert wurde, stieg das Nichtspiegelsignal stark an. Infolgedessen konnte der Spiegelstrahl nicht von einem Hintergrund ohne Spiegel unterschieden werden. Wenn wir berücksichtigen, dass sich die Kernstruktur aufgrund der Abkühlung nicht wesentlich ändert, kann dieser Effekt ausschließlich durch Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Systems erklärt werden.

Ein breites Band entlang der horizontalen Achse in den Graphen der Neutronenreflektometrie bei einer Temperatur von 7 K zeigt die Entwicklung magnetischer Korrelationen in der Ebene des Zellgitters an (Bild Nr. 2).

Zur weiteren Analyse der magnetischen Struktur der Probe werden die experimentell erhaltenen Daten mit denen verglichen, die durch Berechnungen auf der Grundlage einer theoretischen Basis erhalten wurden, die es ermöglichte, den Zustand magnetischer Phasen, insbesondere des paramagnetischen Zustands sowie des geladenen geordneten Spineises (Eis-1), vorherzusagen Konfiguration (Eis-2) und Feststoff schleudern. All dies ist in Bild Nr. 3 dargestellt.


Bild Nr. 3

Um verschiedene magnetische Zustände zu simulieren, wurde die Born-Näherung mit verzerrten Wellen (DWBA) verwendet.

Wie aus den unteren Graphen in Bild Nr. 2 ersichtlich ist, stimmt die Lichtstreuung nicht mit dem Spin-Spin-Korrelationswert überein. Der Unterschied zwischen Eis-2 und dem Spin eines Festkörpers ist eher gering, obwohl die Indizes experimentellen Daten über die Spins eines Festkörpers entsprechen. Wie bereits erwähnt, wurde der Spinzustand eines Festkörpers durch abwechselnde Wirbelströme unterschiedlicher Chiralitäten erreicht.

Die Experimente zeigten, dass die Energie zwischen den Elementen im künstlichen Wabengitter ungefähr 12 K beträgt. Dieser Indikator ist äußerst wichtig für die Bildung eines magnetisch geladenen geordneten Zustands, gefolgt vom Zustand eines Feststoffs, wenn die Temperatur auf 0 K abfällt. Zusammenfassend entspricht der beobachtete Intensitätsanstieg vollständig dem vorhergesagten Berechnungen des Probenverhaltens.


Bild Nr. 4

Entlang der Q _y -Achse wurden Modelle aus dem in Bild Nr. 3 gezeigten Bereich Q _z = 0,025 ^{-1 -1} ... 0,045 ^{-1 -1} und den in Bild Nr. 4 gezeigten berechneten Daten kombiniert. Bei 300 K wird ein sichtbarer Sprung in der Nähe von Q _y = 0,02 Å ^{-1 beobachtet} , der der Struktur des Kerns entspricht, sowie eine vollständige Streuung im Zustand von Gas oder Eis-1. Bei einer Temperaturabnahme auf 7 K im Bereich von Q _y = 0,012 Å ^-1 wurde eine zusätzliche Intensität gebildet, die dem Eis-2-Zustand und / oder dem Spin-Zustand eines Feststoffs entspricht.

Damit die Probe jedoch den Zustand von Eis-2 bei Q _y = 0,025 Å ^{-1 nachweisen kann} , muss eine Endintensität beobachtet werden, die nicht in den berechneten Daten enthalten ist.

Infolgedessen sieht das Intensitätsprofil sehr begrenzt aus, obwohl es den Profilen entspricht, die durch die Berechnungen für den Spinzustand eines Festkörpers und für einen gemischten Zustand (Feststoff / Eis) vorhergesagt wurden.


Bild Nr. 5

Oben sind die Ergebnisse der temperaturabhängigen mikromagnetischen Modellierung bei Temperaturen von 0 K, 100 K, 200 K und 300 K aufgeführt, von denen jede qualitative Unterschiede in den magnetischen Hysteresekurven zeigt.

Das Fazit der Forscher

Eine experimentelle Untersuchung der Korrelation von Magnetismus und einer Abnahme der Temperatur eines künstlichen Wabengitters zeigte das Auftreten eines Spinzustands eines Festkörpers. Dies wird möglich, wenn die Temperatur unter die Energie zwischen den Elementen fällt, dh ungefähr 12 K. Dieser Zustand ist für eine zweidimensionale Struktur einzigartig. Im Gegensatz zu dreidimensionalen Systemen begrenzen starke Schwankungen der magnetischen Ordnung die Möglichkeit einer magnetischen Ordnung in niedrigdimensionalen Strukturen. Es ist auch erwähnenswert, dass die Theorie der Spinwellen nur bei niedrigen Temperaturen auf ähnliche zweidimensionale Systeme anwendbar ist.

Ich empfehle Ihnen dringend, den hier verfügbaren Forscherbericht zu lesen.

Nachwort

Diese Studie ist ein Werkzeug zum Verständnis der Eigenschaften niedrigdimensionaler Magnete, der Beziehung zwischen Spinzustand und Temperatur sowie der magnetischen Eigenschaften eines künstlichen Wabengitters. Die Arbeit der Forscher enthält weitgehend theoretische Ergebnisse, die auf experimentell gewonnenen Daten beruhen. Es stellt sich heraus, dass die Ergebnisse dieser Experimente keine praktische Anwendung haben? Diese Aussage ist sowohl wahr als auch nicht. Solche Studien zielen darauf ab, die verschiedenen Eigenschaften verschiedener Materialien zu verstehen. Nachdem die Antworten auf die von den Forschern gestellten Fragen erhalten wurden, ist es möglich, das Spektrum der theoretischen Basis zu erweitern, wodurch es in Zukunft möglich sein wird, nicht nur die Eigenschaften, sondern auch die möglichen Anwendungsbereiche der neu entdeckten Eigenschaften eines bestimmten Systems detaillierter zu beschreiben. Diese Studie kann übertrieben werden, um als Tropfen des Wissensbechers bezeichnet zu werden, der neue Technologien entdeckt und bestehende verbessert.

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