Ученые из МФТИ и СПбГУ с европейскими коллегами научились определять направление магнитного момента атомов лантаноидов в приповерхностных индивидуальных слоях кристаллов по спектру фотоэмиссии. С помощью разработанного метода ученые смогут надежно осуществлять контроль за направлением магнитного момента в тонкопленочных монокристаллических соединениях лантаноидов в зависимости от температуры и структуры соединений. Предложенный подход будет полезен при разработке широко круга технологически значимых гетероструктур и слоистых нанообъектов, мономолекулярных магнитов, а также магнитно активных супрамолекулярных соединений, содержащих лантаноиды.
Работа опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters. Лантаноиды — это семейство редкоземельных металлов, обладающих большим магнитным моментом. Сегодня лантаноиды находят широкое применение в производстве электроники, магнитов, лазеров, оптического волокна, металлургии, химической и ядерной промышленности и множестве других областей. По химическим свойствам лантаноиды очень схожи между собой, что объясняется строением электронных оболочек их атомов. В соединениях лантаноиды в большинстве случаев оказываются трехвалентными. По мере увеличения заряда ядра внешние 5d- и 6s-электронные оболочки остаются незаполненными, но происходит заполнение сильно локализованных 4f-электронных орбиталей.
Электроны 4f-оболочки и определяют магнитные свойства лантаноидов. Поскольку электроны частично заполняют 4f-оболочку, ее форма оказывается несимметричной и возникает магнитный момент. В соединениях на эту электронную оболочку действует электрическое поле самого кристалла, и при низкой температуре она поворачивается, чтобы минимизировать энергию. С ней поворачивается и магнитный момент. Когда температура растет, повышается вероятность перехода электронов на более высокие энергетические уровни — меняется форма оболочки, ее ориентация и среднее направление магнитного момента. Ученым важно знать зависимость направления от температуры и строения материалов, чтобы создавать наноструктуры из лантаноидов с заданными магнитными параметрами. Такие структуры, например, применяются в спиновой электронике — когда информацию переносит не электрический ток, а ток спинов.
В предыдущей работе физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и СПбГУ показали, что наклон магнитных моментов сильно влияет на спектр фотоэмиссии 4f-электронов. Фотоэмиссия — физический метод исследования, основанный на выбивании светом электронов с поверхности материала. Эти электроны попадают в анализатор, который измеряет их энергию. Ученые предположили, что по фотоэмиссионным спектрам, снятым при разных температурах, можно определить наклон магнитных моментов и его температурную зависимость.
Первый автор работы, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ Дмитрий Усачев рассказывает: «Фотоэмиссия хорошо подходит для изучения слоистых двумерных систем. Нашей задачей было разработать методологию, которая бы позволяла, анализируя данные фотоэмиссии, получить информацию о магнетизме. В частности, о том, куда направлены магнитные моменты в приповерхностной области кристалла.
В качестве модельной системы мы взяли два материала, у которых в объеме магнитные моменты могут поворачиваться с температурой: изменяем температуру — меняется направление магнитных моментов. Мы хотели проследить это изменение, анализируя 4f-электроны, которые как раз обеспечивают весь магнетизм в этих системах. И оказалось, что да: можем проследить, если провести довольно точные измерения фотоэмиссии 4f-оболочки».
В новом исследовании физики измеряли фотоэмиссию систем гольмий-родий-2-кремний-2 (HoRh2Si2) и диспрозий-родий-2-кремний-2 (DyRh2Si2). Анализируя спектры, полученные при различных температурах, ученые смогли проследить изменение наклона магнитного момента в приповерхностных слоях кристаллов.
