Międzynarodowy zespół naukowców przeprowadził eksperyment, w wyniku którego zaobserwowano polarony Jahna-Tellera – kwazicząstki mogące odegrać istotną rolę w przyszłych ultraszybkich urządzeniach spintronicznych. Opis teoretyczny zjawiska, pozwalający odsłonić naturę zaobserwowanych oscylacji, opracowali fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.
Gdy na kryształ tlenku kobaltu padają odpowiednio dobrane impulsy laserowe, aktywują specyficzne, lokalne modyfikacje sieci krystalicznej, co silnie wpływa na właściwości strukturalne, elektryczne i magnetyczne materiału. Wyrafinowane technicznie eksperymenty i analizy materiałowe, które ujawniły nieoczekiwane właściwości tlenku kobaltu, przeprowadził kilkudziesięcioosobowy zespół naukowców z Uniwersytetu w Pawii (Włochy), Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie i Instytutu Paula Scherrera (Szwajcaria) oraz Uniwersytetu Teksańskiego w Austin, Massachusetts Institute of Technology i Northeastern University (USA). Opis teoretyczny zjawiska, pozwalający odsłonić naturę zaobserwowanych oscylacji, opracowali fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie.
Katalizatory chemiczne, elektrody akumulatorowe, ogniwa fotowoltaiczne, półprzewodnikowe czujniki gazów – to tylko niektóre ze współczesnych zastosowań tlenku kobaltu Co3O4. Mimo prostego wzoru chemicznego, komórka elementarna jego sieci krystalicznej składa się z aż 56 atomów: 24 kobaltu i 32 tlenu, przy czym w zależności od położenia w komórce atomy kobaltu występują w dwóch stopniach utlenienia.
Dla fizyków szczególnie interesujący jest fakt, że tam, gdzie jon kobaltu jest otoczony przez cztery jony tlenu, traci dwa elektrony (zatem ma ładunek elektryczny 2+), natomiast w sąsiedztwie sześciu jonów tlenu – trzy (jego ładunek wynosi wówczas 3+). Cecha ta powoduje, że tlenek kobaltu charakteryzuje się bardzo bogatą strukturą zarówno elektronową, jak i magnetyczną, co czyni go interesującym materiałem do zastosowań w spintronice, zgodnie uznawanej za następczynię elektroniki.
W IFJ PAN już wcześniej zajmowaliśmy się modelowaniem właściwości fizycznych magnetytu, czyli najstarszego materiału magnetycznego znanego ludzkości. Pod względem budowy krystalicznej badany tlenek kobaltu różni się od magnetytu tylko tym, że zamiast atomów żelaza mamy atomy kobaltu. Byliśmy więc doskonale przygotowani do zadania, jakie postawili przed nami koledzy-eksperymentatorzy, polegającego na określeniu natury zarejestrowanych przez nich dziwnych drgań sieci krystalicznej tlenku kobaltu – wyjaśnia dr hab. Przemysław Piekarz z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.
Dla zrozumienia istoty odkrycia niezbędne jest wyjaśnienie pojęcia fononu. Tak jak foton jest kwantem pola elektromagnetycznego, tak fonon jest kwantem drgań sieci krystalicznej. Jako fonon należy rozumieć falę wibracji zdolną do propagowania się w sieci krystalicznej materiału, charakteryzującą się dokładnie określoną długością – a więc i określoną energią.
W opisywanych badaniach cienką warstwę tlenku kobaltu, grubości zaledwie 27 nanometrów, oświetlano najpierw impulsem lasera pompującego, a następnie, z kontrolowanym opóźnieniem, wiązką próbkującą. Eksperyment powtarzano wielokrotnie, stopniowo zmieniając opóźnienie między impulsami pompującymi i sondującymi. Pomiary przeprowadzono przy dwóch różnych energiach impulsów pompujących, odpowiadających światłu czerwonemu i niebieskiemu. Obie ujawniły istotnie różne zachowania materiału.
Przy czerwonym świetle pompującym, o mniejszej energii, w odbitym od próbki sygnale pojawiały się oscylacje natężenia, które fizykom z IFJ PAN udało się jednoznaczne powiązać z obecnością fononów o najniższej energii dopuszczalnej w tlenku kobaltu (konkretnie: z fononami aktywnymi w widmie Ramana). Jeszcze ciekawsze okazały się spójne oscylacje obserwowane przy niebieskim świetle pompującym, ponieważ są one całkowicie nieobecne w czystym tlenku kobaltu. Analiza teoretyczna pozwoliła ustalić następującą sekwencję zdarzeń.
Gdy foton z niebieskiej wiązki pompującej uderza w materiał, elektron może przeskoczyć z jonu tlenu na jon kobaltu 3+, który w ten sposób staje się jonem o ładunku 2+. Sieć krystaliczna reaguje natychmiast zmianą strukturalną wokół jonu kobaltu, asymetryczną, z dominującym przesunięciem dwóch z sześciu sąsiednich jonów tlenu. Pojawia się wówczas nadmiar ładunku elektrycznego oraz charakterystyczna deformacja sieci, przyjmująca postać polaronu znanego fizykom jako polaron Jahna-Tellera.
Od strony praktycznej mamy tu do czynienia ze swoistą inżynierią elektronową, polegającą na tworzeniu w materiale potrzebnej struktury elektronowej za pomocą impulsów laserowych wpływających na drgania sieci krystalicznej – zauważa prof. Piekarz.
Aktywacja polaronów Jahna-Tellera w tlenku kobaltu za pomocą światła laserowego jest możliwa dzięki silnemu powiązaniu ładunku, spinu i właściwości strukturalnych w materiale, co czyni tlenek kobaltu szczególnie atrakcyjną platformą dla przyszłych badań spintronicznych. W dłuższej perspektywie opisane odkrycie może przyczynić się do rozwoju metod precyzyjnego sterowania właściwościami funkcjonalnymi materiałów w układach logicznych i pamięciach nowej generacji, działających wielokrotnie szybciej niż dzisiejsze półprzewodnikowe układy elektroniczne.
Wyniki badań opublikowano na łamach „Journal of the American Chemical Society”.
źródło: IFJ PAN