自旋電子學的發(fā)展依賴于能夠控制磁極化電流流動材料。然而當傳熱的細節(jié)在材料之間接口是未知的時候，談論控制是困難的。我們材料知識中的這一熱缺口剛剛被一個波蘭-德國物理學家團隊填補，他們現(xiàn)在詳細描述了發(fā)生在鐵磁金屬和半導體之間的界面上的動態(tài)現(xiàn)象。

自旋電子學被認為是電子學的繼承者，在自旋電子器件中，電流被自旋電流所代替。砷化鎵/硅化鐵異質結構似乎是這種應用的一種有前途的材料。每四個電子通過這個界面，就有三個電子攜帶磁矩方向的信息。然而到目前為止，對于決定熱流的界面的動態(tài)特性所知甚少。波蘭科學院(IFJ PAN)核物理研究所(Cracow)、卡爾斯魯厄理工學院(KIT)、柏林保羅德魯?shù)聦W院和漢堡德西研究中心的合作，最終幫助縮小了這一差距。

博科園-科學科普：Fe3Si鐵硅化物和砷化鎵的體系是特殊的，這兩種材料在性質上有很大的不同：一種是很好的鐵磁性材料，另一種是半導體。另一方面晶格常數(shù)，即原子間的特征距離，在兩種材料中只相差0.2%，所以它們幾乎是相同的。Przemyslaw Piekarz博士(IFJ PAN)說：因此這些材料結合得很好，在界面附近沒有缺陷或明顯的應力，”。波蘭小組重點研究了在測試結構中晶格振動的理論模型的制備，聲子計算機程序由Krzysztof Parlinski教授(IFJ PAN)在過去20年里創(chuàng)建和開發(fā)，在這里發(fā)揮了重要作用。利用量子力學的基本定律，計算原子間相互作用的力，從而使研究人員能夠求解描述原子在晶體網絡中運動的方程。

進行了大部分計算的Malgorzata Sternik博士(IFJ PAN)解釋說：在我們的模型中，底物是砷化鎵，其最外層由砷原子組成。上面是交替排列的鐵硅層和鐵層。對于固體晶體和靠近界面的原子振動是不同的。這就是為什么我們研究了振動頻譜是如何根據(jù)與界面的距離變化。晶體中原子的動力學不是隨機的，晶體材料的特點是長程排列。因此原子的運動在這里不是混沌的，而是遵循一定的，有時是非常復雜的模式。橫波主要負責傳熱。這意味著，在分析晶格動力學時，研究人員必須特別注意平行于界面平面的原子振動。如果兩種材料中原子的振動波相互匹配，熱量就會有效地流過界面。

首席科學家Svetoslav Stankov博士(KIT)解釋說：測量超薄層原子振動譜是實驗固體物理學的重大挑戰(zhàn)之一。由于同步輻射源的卓越性能，能夠通過核非彈性散射，以非常高的分辨率直接測量納米材料中原子振動的能譜。在我們的實驗中，同步電子束平行于界面平面定向。通過這種方法，我們能夠觀察到平行于Fe3Si/GaAs界面的原子振動。此外實驗方法是元素特異性，這意味著獲得的數(shù)據(jù)實際上不受背景或其他人工制品的影響。Ge/Fe3Si/GaAs樣品包含不同數(shù)量的Fe3Si單層膜(3,6,8和36)，由Karlsruhe理工學院博士生Jochen Kalt在Paul Drude Institute t fur Festkorperelektronik制備。

實驗在漢堡同步輻射源Petra III的動力波束P01上進行，結果表明盡管兩種材料的晶格參數(shù)相似，但界面原子的振動與大體積原子的振動有很大區(qū)別。初步原理計算與實驗結果完全吻合，再現(xiàn)了界面原子振動能譜的新特征。Stankov博士總結道：理論和實驗的完美結合為界面聲子納米工程鋪平了道路，這將導致更有效的熱電異質結構的設計，并將促進熱管理和納米電子的進一步發(fā)展。Fe3Si/GaAs界面是研究動態(tài)和自旋電子界面現(xiàn)象的理想模型系統(tǒng)。在未來，研究小組計劃擴大這項工作，以更好地了解這種有前途的材料的電子和磁性能。

　　博科園-科學科普｜研究/來自：波蘭科學院核物理研究所

　　參考期刊文獻:《物理評論B》

　　論文DOI：10.1103/PhysRevB.98.121409

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