Авторы оригинальной статьи: David Serrate1†, Paolo Ferriani1,2, Yasuo Yoshida1, Saw-Wai Hla1,3, Matthias Menzel1,Kirsten von Bergmann1, Stefan Heinze1,2, Andre Kubetzka1* and Roland Wiesendanger1 (1Institute of Applied Physics, University of Hamburg, Jungiusstrasse 11, D-20355 Hamburg, Germany, 2Institute of Theoretical Physics and Astrophysics, Christian-Albrechts-Universitaet zu Kiel, Leibnizstrasse 15, 24098 Kiel, Germany, 3Nanoscale & Quantum Phenomena Institute, Physics & Astronomy Department, Ohio University, Athens, Ohio 45701, USA; †Present address: Instituto de Nanociencia de Aragorn, University of Zaragoza, 50018, Spain. *e-mail: kubetzka@physnet.uni-hamburg.de)
Одиночные атомы магнитных веществ рассматриваются в качестве наиболее подходящих объектов для магнитной записи и хранения информации. За годы исследований были изучены кривые намагничивания, открыт эффект Кондо, исследован магнетизм в квантовых системах. Атомы, расположенные на немагнитной подложке, в отсутствие магнитного поля магнитных свойств не проявляют. Направление атомного спина фиксируется в магнитном поле. Проекции спина на поле могут принимать только вполне определенные, квантованные значения. В данной работе был проведен эксперимент по определению направления спина атомов кобальта, помещенных на подложку из вольфрама с нанесенным слоем атомов магния. Использовался сканирующий туннельный микроскоп.
Сегодня одной из самых важных проблем физики твердого тела является исследование поведения атомов магнитных веществ и наноструктур на их основе, расположенных на подложке из магнитного материала. Наиболее подходящим инструментом для работы с такими объектами является сканирующий туннельный микроскоп. Меняя материал острия кантилевера, магнитный или немагнитный, можно исследовать магнитные свойства атомов (в частности, спин) и перемещать атомы по подложке, при этом меняя их спиновые характеристики. Подложка из атомов магния на вольфраме, используемая в эксперименте, обладает спиральным магнетизмом.
Спиральный магнетизм характеризуется спиральным расположением магнитных моментов относительно некоторых кристаллических осей. Он является частным случаем более общего явления магнитного упорядочения с периодическим изменением компонентов атомных магнитных моментов вдоль кристаллографических направлений.
Наиболее простой случай таких структур - антиферромагнитная спираль, или геликоид. Она встречается в редкоземельных металлах Eu, Dy, Ho, в соединении MnAu2 и некоторых окисных соединениях. Эту структуру можно представить как последовательность атомных плоскостей, перпендикулярных оси геликоида. Все атомы одной и той же плоскости имеют одинаково направленные магнитные моменты и образуют магнитный слой. Компоненты магнитных моментов атомов по декартовым осям Х и Y, проведенным в плоскости магнитного слоя, осциллируют по закону синуса или косинуса соответственно.
В то же время проекции магнитных моментов на ось геликоида - кристаллографическую ось, перпендикулярную плоскостям магнитных слоев, равны нулю. Результирующий магнитный момент геликоида - антиферромагнитной спирали равен нулю. В случае, если SZ не = 0, имеем ферромагнитную спираль с некоторым результирующим моментом. Если осциллирует также и SZ по гармоническому закону, то образуется структура, называемая сложной магнитной спиралью. Представляет интерес синусоидальная структура или статическая продольная спиновая волна, для которой компоненты SXи SYотсутствуют, а компонента по оси Z осциллирует гармонически.
Такая структура реализуется в некотором интервале температур ниже точки Нееля в металлическом хроме и эрбии, непроводящих и полупроводниковых соединениях MnSe2, TbMnO3, NpAs. Физические механизмы, приводящие к образованию периодических магнитных структур, весьма сложны и неодинаковы. В наиболее простом случае образование спиральных магнитных структур объясняют конкуренцией положительных (ферромагнитных) обменных взаимодействий (А1 > 0) между ближайшими магнитными слоями и отрицательных (антиферромагнитных) обменных взаимодействий (А2 < 0) между следующими слоями. В результате такой конкуренции и происходит поворот магнитных моментов на некоторый угол, величина которого определяется отношением |A2 |/A1.
В металлических спиральных магнетиках период этих структур часто не совпадает с периодом кристаллической решетки. Это объясняют тем, что в металлах спиральное магнитное упорядочение локализованных электронов (например, 4f-электронов) зависит от специфических особенностей энергетического спектра электронов проводимости (s-электроны), которые поляризуются за счет s-f-обменного взаимодействия. Спиральное расположение магнитных моментов 4f-электронов приводит к образованию плоскостей энергетических разрывов и энергетических щелей в энергетическом спектре электронов проводимости, что существенно модифицирует этот спектр. В результате спиральное и периодическое расположение магнитных моментов становится энергетически более выгодным, чем простое ферромагнитное. В этом случае период магнитной структуры определяется предельным импульсом электронов проводимости - импульсом Ферми.
В последние годы в магнетиках было обнаружено большое число модулированных магнитных структур, период которых не связан с периодом кристаллической решетки (несоизмеримые структуры). Период модуляции может непрерывно изменяться с температурой, при этом его значения не совпадают с периодом кристаллической решетки. Однако при достижении некоторых значений, соизмеримых с периодом кристаллической решетки, период модулированной структуры в некотором интервале температур не изменяется. Другое новое явление, обнаруженное недавно, заключается в появлении в ряде магнетиков дополнительной модуляции периодической магнитной структуры (спин-слип-структуры). Здесь параллельные магнитные моменты соседних слоев как бы соединяются в небольшие блоки, а переход от одного блока к другому сопровождается поворотом магнитных моментов блоков на некоторый угол. [*].
На рисунке 1 представлены полученные с помощью СТМ изображения атомов кобальта на подложке из магния на вольфраме, кристаллическая плоскость (110). Из рисунка видно, что слой атомов магния имеет спиральное распределение спинов. Такое распределение существенно повлияет на характер картин поля атомов кобальта, получаемых на СТМ. Такое спиральное распределение спинов приводит к появлению периодических полос в плоскости (001), исчезающих примерно каждые 6 нм вдоль направления (110), это происходит, когда спин атома магния лежит в плоскости. Таким образом, слой магния обладает магнитными моментами, направление которых периодически изменяется в пространстве.
Адсорбированные атомы кобальта, осажденные на магниево-вольфрамовой подложке, имеют различную высоту и форму, зависящую от их положения на подложке, то есть от характера спина атомов магния подложки под ними (рисунок 1). Заметим, что эксперимент проводился при температуре 10 К. На изображениях СТМ атомы кобальта кажутся более высокими, если расположены над атомом магния со спином, ориентированным вверх, и более низкими, - если вниз. Промежуточное, среднее значение высоты наблюдается у атомов, расположенных над атомами магния со спином, ориентированным в плоскости подложки (рисунок 2). Однако в этом случае форма изображения атома кобальта меняется. Появляется провал в центре изображения.
Проведя аналогичный эксперимент, но с использованием немагнитного острия кантилевера, получаем одинаковые изображения атомов кобальта. Из этого следует, что изменения высоты и формы изображений атомов кобальта имеют магнитное происхождение. Проведенные вычисления показывают, что осажденный на подложку атом кобальта приобретаеют энергию 145 мэВ, связываясь с ближайшим атомом магния. Вследствие малой величины туннельного тока существенный вклад в его формирование вносят только электроны с энергией, близкой к энергии Ферми.
На рисунке 3 показана формула, связывающая величину туннельного тока с такими параметрами как спиновая поляризация, j - угол между острием кантилевера и направлением магнитного момента вещества подложки в данной точке.
Как уже упоминалось, полученные изображения атомов кобальта отличаются по высоте и форме. Этот факт объясняется следующим образом. В случае изображения атома с максимальной высотой атом кобальта располагается на подложке над атомом магния с ориентацией спина, совпадающей с атомом кобальта. Максимальный вклад в это состояние вносят электроны на s, pz,dz2 орбиталях, ориентированных перпендикулярно к плоскости подложки. В случае изображения атома с минимальной высотой и провалом по центру, максимальный вклад в это состояние вносят электроны на dxz орбитале, расположенной по диагонали к плоскости подложки, а значит уменьшающей вероятность обнаружения электронного облака в центре атомной сферы (рисунки 4,5). Таким образом, спин атомов кобальта, как функция координаты атомов на подложке, можно использовать в качестве элемента записи информации.
На рисунке 6 представлены СТМ изображения, показывающие изменения симметрии при перемещении атомов кобальта по подложке. Цепочка разнесенных атомов кобальта, представленная на рисунке 7, показывает постепенное изменение состояния от состояния с максимальной высотой и коллинеарными спинами до состояния с минимальной высотой и антиколлинеарными спинами, промежуточные симметричное состояние с раздвоением изображения (провал) и антисимметричные состояния.
В этой работе показана возможность определения направления спина осажденных на подложку со спиральным магнетизмом атомов, манипулирование положением атомов с помощью методов сканирующей туннельной микроскопии, а также перспективы изучения структур на атомарном уровне с использованием их спиновых характеристик.
[*] Никитин С.А. Магнитные структуры в кристаллических и аморфных веществах. Соровский образовательный журнал, №11, 1996.
