Иллюстрация: C. Trainer et. al. / Physical Review Letters. Физики провели исследование влияния атома гелия на качество изображений, получаемых с помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Было установлено, что единичный атом гелия, расположенный в зоне контакта между иглой СТМ и поверхностью образца, проявляет чувствительность к простому направлению намагниченности. Это свойство позволяет существенно повысить магнитный контраст получаемых изображений. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. СТМ является пионером класса микроскопов, использующих для визуализации поверхности зонды в виде сверхтонких игл. Принцип работы СТМ основан на измерении туннельного тока, протекающего между зондом и исследуемой поверхностью. Величина этого тока существенно зависит от расстояния между ними. В процессе сканирования поверхности система обратной связи поддерживает постоянный ток путем регулировки расстояния, что позволяет построить трехмерную карту рельефа образца.
Со временем эта идея обросла множеством модификаций, одной из которых стало использование спин-поляризованного тока, то есть такого, в котором спины всех зарядов выстроены преимущественно в одном направлении. Оказалось, что это позволяет изучать не только перепад высот, но и намагниченность в области под иглой. Другое улучшение метода заключалось в добавлении одиночного атома в пространство туннельного контакта, что позволило увеличить контраст изображения. Комбинация этих двух подходов могла бы дать больших контроль на спиновой поляризацией тока, однако в литературе этот вопрос до сих пор исследован очень слабо.
Группа физиков из Австрии, Великобритании и Германии при участии Алоиса Лоидла (Alois Loidl) исследовала, как добавление пробного атома гелия влияет на спин-полязированные СТМ-изображения поверхности теллурида железа Fe1.1Te при температуре 4,2 кельвина. При таких условиях теллурид железа демонстрирует биколлинеарный антиферромагнетизм. В совершенно обычном антиферромагнетизме магнитные моменты всех соседних атомов смотрят в противоположном направлении. Здесь же атомы группируются по парам по магнитному моменту. Иными словами, период намагниченности оказывается в два раза больше, чем период решетки.
Сначала физики сняли СТМ изображение поверхности кристалла, которое имело полосатый характер вдоль одной из осей. Увеличивая концентрацию атомов гелия над образцом, они обнаружили, что при давлении газа, равном 0,1 миллибар, при тех уже условиях съемки контраст улучшается до атомарного разрешения.
(a) Схематическое изображение геометрии эксперимента. Магнитные моменты изображены красными и синими стрелками вертикально для ясности, на самом деле они располагаются перпендикулярно рисунку. (b) СТМ-изображение поверхности теллурида железа, снятое в вакууме. (c) СТМ-изображение поверхности теллурида железа, снятое в атмосфере гелия. C. Trainer et. al. / Physical Review Letters
Чтобы разобраться в причинах такого изменения, ученые провели тщательное измерение дифференциальной проводимости для различных расстояний между зондом и поверхностью, а также над различными участками элементарной ячейки. Измерения сравнивались и интерпретировались с помощью симуляций, проведенных в рамках теории функционала плотности. В результате они показали, что атом гелия, находящийся посреди туннельного контакта, испытывает на себе действие потенциала, по форме напоминающего потенциал Леннарда-Джонса, однако параметры этого потенциала различные в зависимости от того, над какой частью элементарной ячейки расположился атом. Это приводит к тому, что на малых расстояниях атом перескакивает между соседними узлами, что приводит к размазыванию спин-поляризованного сигнала. Вместе с тем при некоторых расстояниях происходит резкое увеличение спин-поляризации, которое, однако недостаточно хорошо описывается имеющейся у физиков моделью.
В дальнейшем они сфокусировались на исследовании энергии связи атома гелия для расстояний максимального магнитного контраста. Построив на основе спектров дифференциальной проводимости карту распределения этой энергии над поверхностью образца, они увидели, что она зависит также и от направления намагниченности. Так, для одинаковых атомных узлов с противоположными направлениями намагниченности, разница в энергии связи составила 3 миллиэлектронвольта. Это означает, что, настраивая напряжение смещения нужным образом, можно добиться того, что для одного из направлений гелий будет выталкиваться из контакта, а для другого — нет. Это в сумме и позволяет достичь того контраста визуализации, который получили физики.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
