Физики исследовали влияние атома гелия на получение изображений, получаемых с помощью спин-поляризованной сканирующей туннельной микроскопии. Они выяснили, что атом, помещенный в пространство контакта между иглой и поверхностью образца, оказывается чувствителен к направлению намагниченности, что дает возможность существенно увеличить магнитный контраст.

Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) стал первым представителем класса микроскопов, которые используют для визуализации поверхности зонды в виде очень тонких игл. Принцип его работы заключается в измерении туннельного тока, протекающего между зондом и исследуемой поверхностью, который сильно зависит от расстояния между ними. В процессе сканирования поверхности система обратной связи поддерживает ток постоянным за счет изменения этого расстояния, что позволяет построить карту высот образца.

Со временем эта идея обросла множеством модификаций, одной из которых стало использование спин-поляризованного тока, то есть такого, в котором спины всех зарядов выстроены преимущественно в одном направлении. Оказалось, что это позволяет изучать не только перепад высот, но и намагниченность в области под иглой. Другое улучшение метода заключалось в добавлении одиночного атома в пространство туннельного контакта, что позволило увеличить контраст изображения. Комбинация этих двух подходов могла бы дать больших контроль на спиновой поляризацией тока, однако в литературе этот вопрос до сих пор исследован очень слабо.

Группа физиков из Австрии, Великобритании и Германии при участии Алоиса Лоидла (Alois Loidl) исследовала, как добавление пробного атома гелия влияет на спин-поляризованные СТМ-изображения поверхности теллурида железа Fe_1.1Te при температуре 4,2 кельвина. При таких условиях теллурид железа демонстрирует биколлинеарный антиферромагнетизм. В обычном антиферромагнетизме магнитные моменты всех соседних атомов смотрят в противоположном направлении. Здесь же атомы группируются по парам по магнитному моменту. Иными словами, период намагниченности оказывается в два раза больше, чем период решетки.

Сначала физики сняли СТМ изображение поверхности кристалла, которое имело полосатый характер вдоль одной из осей. Увеличивая концентрацию атомов гелия над образцом, они обнаружили, что при давлении газа, равном 0,1 миллибар, при тех уже условиях съемки контраст улучшается до атомарного разрешения.

(a) Схематическое изображение геометрии эксперимента. Магнитные моменты изображены красными и синими стрелками вертикально для ясности, на самом деле они располагаются перпендикулярно рисунку. (b) СТМ-изображение поверхности теллурида железа, снятое в вакууме. (c ) СТМ-изображение поверхности теллурида железа, снятое в атмосфере гелия. / C. Trainer et. al. / Physical Review Letters, 2021

Чтобы разобраться в причинах такого изменения, ученые провели тщательное измерение дифференциальной проводимости для различных расстояний между зондом и поверхностью, а также над различными участками элементарной ячейки. Измерения сравнивались и интерпретировались с помощью симуляций, проведенных в рамках теории функционала плотности.

В результате они показали, что атом гелия, находящийся посреди туннельного контакта, испытывает на себе действие потенциала, по форме напоминающего потенциал Леннарда-Джонса, однако параметры этого потенциала различные в зависимости от того, над какой частью элементарной ячейки расположился атом. Это приводит к тому, что на малых расстояниях атом перескакивает между соседними узлами, что приводит к размазыванию спин-поляризованного сигнала. Вместе с тем при некоторых расстояниях происходит резкое увеличение спин-поляризации, которое, однако недостаточно хорошо описывается имеющейся у физиков моделью. В дальнейшем они сфокусировались на исследовании энергии связи атома гелия для расстояний максимального магнитного контраста.

Построив на основе спектров дифференциальной проводимости карту распределения этой энергии над поверхностью образца, они увидели, что она зависит также и от направления намагниченности. Так, для одинаковых атомных узлов с противоположными направлениями намагниченности, разница в энергии связи составила 3 миллиэлектронвольта. Это означает, что, настраивая напряжение смещения нужным образом, можно добиться того, что для одного из направлений гелий будет выталкиваться из контакта, а для другого — нет. Это в сумме и позволяет достичь того контраста визуализации, который получили физики.