Nowe badanie pomaga wyjaśnić ferromagnetyzm w półprzewodnikach magnetycznych
Wykorzystanie spinu elektronów oraz ich ładunku pozwala na zbudowanie urządzeń pamięciowych o zupełnie nowych funkcjach, które przełamują ograniczenia konwencjonalnej elektroniki. Zastosowanie DMS jest intensywnie badanym sposobem na uzyskanie nośników o spolaryzowanym spinie, nadających się do zapisu danych. Tworzy się je, domieszkując materiały półprzewodnikowe, takie jak azotek galu (GaN) czy tlenek cynku, jonami metali przejściowych, takich jak mangan (Mn), żelazo czy kobalt. Oddziaływanie między spinami prowadzi do ferromagnetycznego uporządkowania materiału w niskich temperaturach, co jest niezbędne do uzyskania nośników o spolaryzowanym spinie. Pomimo postępów w badaniach fizyki DMS, zrozumienie i kontrolowanie tych materiałów okazało się jedną z najbardziej kontrowersyjnych i najtrudniejszych kwestii we współczesnych badaniach materiałowych i fizyce materii skondensowanej. Aby uporać się z tymi trudnościami, zainicjowano projekt FUNDMS (Functionalisation of diluted magnetic semiconductors). W projekcie wykorzystano zaawansowane laboratoria synchrotronowe, aby dowiedzieć się, w jaki sposób jony magnetyczne umiejscowione są w sieci półprzewodnika. Badania teoretyczne i eksperymentalne pozwoliły zespołowi na dokładniejsze poznanie możliwości kontrolowania nanoskalowej heterogeniczności rozkładu jonów metali przejściowych. Informacje na temat rozkładu jonów pomagają zrozumieć makroskopowe właściwości DMS. Uczestnicy projektu przebadali eksperymentalnie i opisali wiele aspektów mechanizmów odpowiedzialnych na ferromagnetyzm w DMS o jednorodnej dystrybucji Mn. Ferromagnetyzm zaobserwowano w warstwach (Ga,Mn)N pomimo nieobecności nośników, a za mechanizm związany z tym zjawiskiem uznano nadwymianę ferromagnetyczną. Wykazano też, że w silnym sprzężeniu między zlokalizowanymi spinami pośredniczą dziury w paśmie walencyjnym. Innym problemem badanym w projekcie FUNDMS jest wpływ umiejscowienia dziur na zachodzące za ich pośrednictwem zjawisko ferromagnetyczne. Uczeni dowiedli, że krytyczne wahania gęstości nośników w strukturach metal-izolator-półprzewodnik prowadzą do współistnienia obszarów ferromagnetycznych i superparamagnetycznych. Uczestnicy projektu FUNDMS złożyli wniosek o objęcie ochroną patentową jednej z opracowanych przez siebie metod kontrolowania agregacji jonów metod przejściowych, a także szerokiej fotoluminescencji wynikającej z niedoskonałości GaN, które można wykorzystać w laserach podczerwonych opartych na GaN. Rezultaty tych prac opisano w 74 publikacjach oraz omawiano na blisko 100 debatach.
Słowa kluczowe
Ferromagnetyzm, badania materiałowe, rozcieńczone półprzewodniki magnetyczne, z polaryzacją spinu, FUNDMS
