Спиновое состояние «твердое тело» в искусственной сотовой решетке



    В определенных научных кругах ведется дискуссия касательно магнитной корреляции при низких температурах в двумерной искусственной магнитной сотовой решетке. Теоретики утверждают, что подобная система способна демонстрировать формирование твердотельного состояния с нулевой спиновой энтропией*. Однако на практике подобных свойств пока не было обнаружено. Данное исследование делает уверенный шаг к пониманию вышеуказанных явлений. Что именно удалось узнать исследователям, мы поймем благодаря их отчету. Поехали.
    Энтропия* — простыми словами это состояние системы, элементы которой не упорядочены, т.е. хаотичны.
    Данное исследование нацелено на исследование магнитной корреляции в искусственной сотовой решетке пермаллоя*. Габариты элементов составляли порядка 12 нм (длина) на 5 нм (ширина) на 10 нм (толщина). Важным показателем в процессе выведения результатов исследования стало нейтронное рассеяние* и температурозависимое микромагнитное моделирование.
    Пермаллой* — сплав железа и никеля с магнитно-мягкими свойствами. Такие материалы обладают свойствами ферри- или ферромагнетика, а их коэрцитивная сила (напряженность магнитного поля, необходимая для полного размагничивания материала) не больше 4 кА/м.
    Нейтронное рассеяние* — разделяют два основных типа: упругое и не упругое рассеяние. Упругое позволяет изучить структуру твердого вещества, жидкости и газов, поскольку рассматривается только рассеяние, когда атомы не переходят в возбужденное состояние. При не упругом нейтронном рассеянии можно получить данные касательно связей в веществе посредством возникающих процессов возбуждения в атомах. Нейтронное рассеяние отлично подходит для анализа магнитных материалов, так как нейтроны обладают магнитными свойствами и выступают в роли элементарных магнитов.
    Численное моделирование данных рефлектометрии* поляризованных нейтронов объясняет зависящую от температуры эволюцию спиновой корреляции в этой системе.
    Нейтронная рефлектометрия* — пучок нейтронов падает на плоский образец, который рассеивает частицы. Под определенным углом производятся наблюдения этих частиц. Полученный угловой спектр позволяет определить магнитные свойства элементов испытываемого образца.
    По мере снижения температуры до ≈7 К, система стремится развить новое спиновое твердое состояние, проявляющееся чередующимся распределением магнитных вихревых токов* противоположных хиральностей*.
    Вихревые токи* — электрический ток, возникающий в проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.
    Хиральность* — асимметрия (отсутствие симметрии) правой и левой стороны какого-либо объекта.
    Результаты тестов дополняются температурно-зависимыми микромагнитными симуляциями, которые подтверждают преобладание спинового твердого состояния над упорядоченным состоянием магнитного заряда в искусственной сотовой решетке. Эти данные дают возможность исследовать корреляцию нового спинового твердого состояния в двумерной искусственной сотовой решетке.

    Основы системы и исследования

    Двухмерная сотовая решетка является идеальной основой для проверки многих свойств магнитных материалов, а также их взаимодействие внутри единой системы. Особое внимание исследователи уделили таким необычным вещам как различные состояния вещества: спиновый лед*, спиновая жидкости* и спиновое твердое тело, сформированных распределением магнитных вихревых токов противоположных хиральностей.
    Спиновый лед* — вещество, в котором магнитные моменты атомов упорядочены так же, как и протоны в обычном льде.
    Спиновая жидкость* — состояние систем, где слово «жидкость» использовано для того, чтобы подчеркнуть факт неупорядоченности спинов, что отличается от ферромагнитного спинового состояния, так же, как состояние воды (жидкости) отлично от состояния льда (кристаллическая структура). Основным отличием спиновой жидкости является сохранение данного состояния даже при самых низких температурах.
    Важным аспектом является тот факт, что сложное разнообразие магнитных фаз подконтрольных энтропии, возникающих по прогнозам в искусственной сотовой решетке как функция снижения температуры, не может быть реализовано в обменном материале.

    Недавние теоретические исследования утверждают, что сотовая решетка при высоких температурах проявляет свойства парамагнетика*, соответствуя газу с магнитным зарядом ±1 и ±3.
    Парамагнетик* — вещество, которое способно намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля, имеет положительную магнитную восприимчивость, однако она значительно ниже единицы.
    При снижении температуры система переходит с состояние спинового льда, когда магнитные моменты располагаются по принципу «2 внутрь и 1 наружу» или «1 внутрь и 2 наружу». То есть 2 магнитных момента (или 1 во втором варианте) направлены внутрь ячейки сотовой решетки, а 1 момент (или 2 во втором варианте) направлен наружу.

    Дальнейшее снижение температуры приводит к формированию нового режима упорядочивания, который характеризуется топологическим «порядком заряда» с магнитным зарядом ±1. (Изображение №3).

    В таком случае ожидается, что количество тепла будет соответствовать силе дипольного взаимодействия* (≈D).
    Дипольное взаимодействие* — взаимодействие двух магнитных диполей (предел либо замкнутой петли электрического тока, либо пары плюсов, поскольку размеры источника сводятся к нулю, сохраняя постоянный магнитный момент).
    При значительно более низких температурах система переходит в состояние спин-упорядоченности вихревых токов с нулевой энтропией, что коротко можно именовать состоянием спинового твердого тела. Это новая магнитная фаза с нулевой энтропией и намагниченностью.


    Изображение №3 (для удобства просмотра разместил тут и дальше по тексту)

    Детальное изучение показателей поляризованной нейтронной рефлектометрии и малоуглового нейтронного рассеяния* выявило формирование дополнительного расстеяния магнитного характера из внутриплоскостных корреляций при снижении температуры до 7 К.
    Малоугловое нейтронное рассеяние* — упругое рассеяние пучка нейтронов на неоднородностях вещества, размеры которых превышают длину волны излучения, которая составляет λ = 0,1–1 нм.
    Диффузионное рассеяние прекрасно определяется численным моделированием спиновой твердотельной конфигурации, где магнитные моменты наряду с соединяющими элементами пермаллоя сотовой решетки проявляют чередующийся порядок вихревых токов противоположных хиральностей.

    Формирование состояния спинового твердого тела также было, независимо от других показателей, подтверждено температурозависимым микромагнитным моделированием, которое показало развитие температурной зависимости спиновой корреляции в сотовой решетке при одинаковых размерах ее элементов.

    На данный момент основой попыток достичь спинового состояния твердого тела является метод электронно-лучевой литографии для изготовления образцов. Это метод дает в результате образцы малых размеров, но с большими элементарными параметрами. Как правило, сотовая решетка такого вида обозначает высокий уровень энергии межэлементных связей ≈104 K.

    Однако недавно был предложен новый тип сотовой решетки, которая состоит из весьма тонких (несколько ангстрем*) и хорошо разделенных пермаллоистых элементов большого размера (длина ≈500 нм, ширина 20-50 нм). При этом межэлементная энергия сильно уменьшается.
    Ангстрем* — 1 Å = 0,1 нм.
    Для проведения испытаний была выбрана сотовая решетка с весьма малыми составными элементами, поскольку их малый размер сам по себе сильно уменьшает электростатическую энергию примерно от 12 до 15 К. Потому такой вариант наилучший для проведения изучения температурной зависимости магнитных фаз.

    Результаты экспериментов и их анализ

    Для создания сотовой решетки необходимо было синтезировать сополимерный диблочный (состоящий из двух спаренных блоков) гексагональный шаблон и соединить пермаллой с поверхностью кремниевой подложки в сверхвысоком вакууме*.
    Сверхвысокий вакуум* — газовая среда с очень низкой плотностью газа, когда давление составляет 10-9 мм рт.ст. и ниже.
    Похожие диблочные сополимерные шаблоны были также использованы и для создания наноструктурных материалов.

    При подходящих физических условиях диблочный сополимер склонен к самоорганизации, тогда как однокомпонентный образец будет создавать большие периодические структуры.

    Простота в настройке структурных свойств и параметров решетки путем изменения состава и/или молекулярного веса диблочного сополимера дает возможность создавать множество наноматериалов. Ярким тому примером является создание нано-точек, нано-колец и узлов наночастиц.

    Относительно недавно диблоковые шаблоны в сопряжении с GLAD (glancing angle deposition) позволили создать направленные иерархические структуры металлических наночастиц.


    Изображение №1а

    На изображении выше () продемонстрирован снимок образца сотовой решетки, сделанный атомно-силовым микроскопом*.
    Атомно-силовой микроскоп* — позволяет определить рельеф поверхности с разрешением вплоть до атомарного.
    Измерения, полученные за счет малоуглового рентгеновского рассеяния при скользящем падении (GISAS), показали высокое качество структур образца. GISAS дают возможность рассмотреть подробнее структурные особенности системы. Для проведения подобных измерений использовался источник Ga Kα* с длиной волны 1.34 Å и углом падения 0.15°.
    Нотация Зигбана* — в рентгеновской спектроскопии используется для наименования спектральных линий (особенность участка спектра, проявляющаяся в локальном понижении или повышении уровня сигнала).
    Для ослабления отраженного луча использовалась пленка из нержавеющей стали толщиной 1 мм.


    Изображение №1b

    На изображении выше (1b) видно, что длина связи = 12 нм, ширина = 5 нм, а сегрегация решетки = 31 нм.

    Второй и третий пики соответствуют двумерной гексагональной решетке. Также отмечается, что пики более высокого порядка перекрываются фоном в данных, который возникает ввиду возможной неоднородности образца. Размеры составных элементов решетки варьируются в пределах необходимых для исследований 12х5 нм. Однако эти отклонения не имеют сильного влияния, поскольку даже межэлементная энергия изменяется крайне незначительно (менее чем на 2 К при изменениях размеров на 2 нм).

    Моделирование данных GISAXS подтвердило наличие большого домена (участка) дальнего структурного порядка в сотовой решетке (длина корреляции паракристаллов = 250 нм).

    Дабы исследовать корреляцию между магнитными моментами и сотовыми элементами были проведены эксперименты с поляризованными нейтронами, а именно рефлектометрия, а также GISAXS. Совокупность данных процедур позволила исследовать магнитную корреляцию в сотовой решетке при масштабе от 5 нм до 10 мкм.


    Изображение №2

    Изображение 2 демонстрирует показатели измерений различной интенсивности отражения при нейтронах в состоянии спин «вверх» и спин «вниз», а также при температуре 300 К и 7 К.
    Ось y представляет вектор рассеяния вне плоскости (формула №1). Разница между z-компонентами падающего и исходящего волновых векторов (формула №2) отображаются осью х.


    Формулы №1 и №2

    Таким образом вертикальные и горизонтальные направления соответствуют корреляции вне плоскости и внутри плоскости. Отражение соответствует х = 0. Между рассеянием при высокой и низкой температурой видна явная разница.

    При температуре Т = 300 К интенсивность отражения более чем на 2 порядка сильнее, чем в случае незеркальных данных, что весьма привычно для подобных систем.

    Также наблюдается небольшое рассеяние в незеркальных участках, вызванное парамагнитной природой момента и сотовой структурой, как таковой.

    Когда температура образца была снижена до 7 К, незеркальный сигнал сильно увеличился. В результате зеркальный луч невозможно было отличить на незеркальном фоне. Если учесть, что ядерная структура не подвергается значительным изменениям ввиду охлаждения, то подобный эффект можно объяснить исключительно изменениями магнитных характеристик системы.

    Широкая полоса вдоль горизонтальной оси на графиках нейтронной рефлектометрии при температуре 7К указывает на развитие магнитных корреляций в плоскости сотовой решетки (Изображение №2).

    Для дальнейшего анализа магнитной структуры образца данные, полученные экспериментальным путем, сравниваются с теми, что были получены вычислениями на основе теоретической базы, которая давала возможность предсказать состояние магнитных фаз, в частности парамагнитного состояния, а также спинового льда (ice‐1), заряженной упорядоченной конфигурации (ice-2) и спинового твердого тела. Все это визуализировано на изображении №3.


    Изображение №3

    Для моделирования различных магнитных состояний было применено борновское приближение с искаженными волнами (DWBA).

    Как видно по нижним графикам на изображении №2 рассеяние света не совпадает с величиной корреляции спин-спин. Разница же между ice-2 и спином твердого тела довольно мала, хотя показатели соответствуют экспериментальным данным касательно спинов твердого тела. Как уже упоминалось ранее, спиновое состояние твердого тела достигалось путем чередования вихревых токов разной хиральности.

    Проведенные эксперименты показали, что межэлементная энергия в искусственной сотовой решетке составляет примерно 12 К. Этот показатель крайне важен для формирования магнитного заряженного упорядоченного состояния, за которым следует состояние твердого тела, когда температура снижается до 0 К. Как вывод, наблюдаемое повышение интенсивности полностью соответствует предсказанному вычислениями поведению образца.


    Изображение №4

    Вдоль оси Qy были объединены модели из диапазона Qz = 0.025 Å-1… 0.045 Å-1, показанные на изображении №3, и вычисленные данные, показанные на изображении №4. При 300 К наблюдается видимый скачок около Qy = 0.02 Å-1, который соответствует структуре ядра, также как и полному рассеянию в состоянии газа или лед-1. При снижении температуры до 7 К в районе Qy = 0.012 Å-1, образовалась дополнительная интенсивность, которая соответствует состоянию лед-2 и/или спиновому состоянию твердого тела.

    Однако, для того, чтобы образец продемонстрировал состояние лед-2, при Qy = 0.025 Å-1 должна наблюдаться конечная интенсивность, которой нет в расчетных данных.

    Как результат — профиль интенсивности выглядит весьма ограниченным, хотя он и соответствует предсказанным расчетами профилям для спинового состояния твердого тела и для смешанного состояния (твердое тело / лед).


    Изображение №5

    Выше представлены результаты температурно-зависимого микромагнитного моделирования при температурах 0 К, 100 К, 200 К и 300 К. Каждое их которых показывает качественные отличия в кривых магнитного гистерезиса.

    Заключение исследователей

    Экспериментальное исследование корреляции магнетизма и снижения температуры искусственной сотовой решетки показало возникновение спинового состояния твердого тела. Это становится возможным, когда температура опускается ниже межэлементной энергии, то есть примерно 12 К. Данное состояние является уникальным для двумерной структуры. В отличие от трехмерных систем, сильные флуктуации магнитного порядка ограничивают возможность магнитного упорядочивания в низкоразмерных структурах. Также стоит отметить, что теория спиновых волн применима к подобным двумерным системам только при низких температурах.

    Настоятельно рекомендую ознакомиться с отчетом исследователей, доступным по ссылке.

    Эпилог

    Данное исследование является инструментом понимания свойств низкоразмерных магнетиков, взаимосвязи спинового состояния и температуры, а также магнитные характеристики искусственной сотовой решетки. По большей степени, труд исследователей несет в себе теоретические результаты, подкрепленные экспериментально полученными данными. Выходит, что результаты этих опытов не имеют практического применения? Это утверждение одновременно и верно и нет. Подобные исследования нацелены на понимание тех или иных свойств различных материалов. Получив ответы на поставленные исследователями вопросы, можно расширить спектр теоретической базы, что позволит в дальнейшем более подробно описывать не только свойства, но и возможные сферы применения новооткрытых характеристик той или иной системы. Данное исследование можно утрировано назвать каплей в чаше знаний, наполнив которую, мы сможем открыть для себя новые технологии и усовершенствовать уже имеющиеся.

    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
    • +16
    • 3,3k
    • 5
    ua-hosting.company 236,87
    Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
    Поделиться публикацией
    Комментарии 5
    • +4
      Слушайте, я всеми руками за научно-просветительскую работу, но зачем публиковать перевод научной статьи?.. Те, кому это актуально (и кто поймет, о чем речь вообще) — прочитают оригинал. Нашли бы научпоп пересказ, или обзор и перевели его — в тысячу раз полезнее и интереснее было бы.
      • +5
        Весьма интересно, спасибо.
        Привык, что спиновый лёд обычно изучается в Ti2Dy2O7 и в похожих структурах, а тут вон оно как, пермаллой…
        Однако, согласен с комментарием выше. Хотя статья и интересная, но она довольно узкоспециализированная. Было бы очень круто подробнее и более последовательно рассказать о всяких терминах и методиках, которые в ней использовались (например, те же пермаллои или нейтронное рассеяние, что это за звери такие и для чего нужны), так бы человек со стороны мог изучить тему в общем, а не в частности, что для просвещения было бы полезнее. Причём я полагаю, что для этой цели можно найти какую-нибудь относительно научно-популярную литературу на перевод.
        Но всё равно спасибо за труд.
        • +2
          c'est la vie… либо так, либо описание 4к-тв
          • +1
            она довольно узкоспециализированная.
            Это мягко сказано. Довольно забавно видеть определение ангстрема и AFM и, при этом, отсутствие какого-либо пояснения относительно DWBA, к примеру.
          • 0
            Мало что понял, но читать было гораздо интереснее, чем очередной «спросите Итана».

            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

            Самое читаемое