Выбивая электроны, физики определили направление магнитных моментов лантаноидов

Лантаноиды — семейство редкоземельных металлов, обладающих большим магнитным моментом. Они 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 они в большинстве случаев оказываются трехвалентными, то есть образуют три связи с другими атомами. 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 системы, например, применяются в спиновой электронике — когда сигнал 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. И оказалось, что да, это возможно».

В новом исследовании физики измеряли фотоэмиссию систем гольмий-родий-кремний (HoRh2Si2) и диспрозий-родий-кремний (DyRh2Si2). Анализируя спектры, полученные при различных температурах, ученые смогли проследить изменение наклона магнитного момента в приповерхностных слоях кристаллов.

Сначала авторы исследовали магнитные свойства в объеме кристаллов, в частности, измеряли зависимость магнитной восприимчивости от температуры. Ниже 11,5 К в кристалле соединения гольмия возникала температурная зависимость наклона магнитного момента от оси кристалла. По экспериментальным данным ученые построили модель, описывающую электрическое поле кристалла и магнитные свойства материала. Затем параметры модели изменили для расчетов свойств на поверхности кристалла. Оказалось, что теоретически наклон магнитных моментов на поверхности может значительно отличаться от наклона в объеме.

Затем исследователи измерили фотоэмиссионные спектры кристаллов гольмия и диспрозия. Интенсивность спектра электронов некоторых энергетических уровней резко менялась при 11,5 кельвина — именно при этой температуре возникало изменение наклона в объеме кристалла. Чтобы выстроить полную связь между фотоэмиссией и наклоном магнитных моментов, физики рассмотрели две модели: в первой параметры кристаллического поля вблизи поверхности считались такими же, как в объеме, исследованном в первой части работы, а во второй использовались расчетные параметры для поверхности. Оказалось, что только во втором случае рассчитанные температурные зависимости спектров отлично совпадали с измеренными. Таким образом ученые показали, что, имея данные фотоэмиссии, можно рассчитать наклон магнитных моментов при заданной температуре.

Более того, отклонение моментов от нормали в верхних атомных слоях зависит от того, какими атомами образована поверхность. В случае, когда кристалл оканчивался слоем кремния, магнитные моменты в приповерхностном слое гольмия отклонялись меньше от нормали, чем в объеме кристалла, а когда на поверхности оказывался слой гольмия, спектры фотоэмиссии указывали на более сильное отклонение моментов. Такое поведение объясняется различным электрическим полем в объеме и на поверхности кристалла. Это знание может быть важным при изготовлении пленок и гетероструктур из подобных материалов.

Дмитрий Усачев добавляет: «Как правило, спектры 4f-мультиплетов в широком энергетическом диапазоне считаются хорошо изученными и поэтому мало привлекают внимание ученых к изучению их тонкой структуры. Наш посыл был показать необходимость детального анализа таких спектров, которые, очевидно, содержат полезную информацию о магнитных свойствах 4f-систем. В дальнейшем мы планируем повысить чувствительность метода, чтобы изучать материалы с малыми примесями лантаноидов. Также, если мы будем делать какой-то интерфейс, соединять разные материалы, то на интерфейсе направление момента тоже может отличаться от того, что в объеме, и, возможно, в некоторых применениях нужно будет учитывать этот факт».

«На данный момент мы готовим эксперименты по изучению магнитной системы данного материала при помощи спинчувствительной сканирующей туннельной спектроскопии, которая была недавно реализована в нашем центре», — рассказывает Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.