Naukowcy wytworzyli nową, zaskakującą odmianę tlenku żelaza

Tlenki żelaza występują w przyrodzie w wielu odmianach, często znacznie różniących się między sobą pod względem struktury i właściwości fizycznych. - Nowa odmiana tlenku żelaza (FeO) to metaliczny kryształ praktycznie bez defektów, z unikatowym konglomeratem cech elektrycznych i magnetycznych oraz atomami mogącymi drgać tak, jakby liczba wymiarów została zredukowana - poinformował Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk.

- Od wielu lat trwają poszukiwania materiałów do budowy urządzeń spintronicznych. Przyrządy te wykorzystują nie tylko transport ładunku, czyli prąd elektryczny, ale również transport spinu elektronu odpowiedzialnego za właściwości magnetyczne - przypomina dr Piekarz.

Tlenek żelaza zwykle tworzy sieci krystaliczne, w których atomy są rozmieszczone w narożnikach sześcianu (taką strukturę ma m.in. wustyt, a z innych substancji –. sól kuchenna). Spodziewano się, że po naniesieniu kolejnych warstw FeO taka sześcienna struktura wyłoni się samoczynnie. Tymczasem analiza drgań atomów w sieci krystalicznej próbek wykazała, że układy liczące nawet kilkanaście monowarstw nadal zachowują budowę heksagonalną. Oznacza to, że krakowskim naukowcom udało się wytworzyć nową odmianę tlenku żelaza, o różnej od dotychczasowych strukturze krystalicznej.

Niezwykły materiał wytworzyli, wymodelowali i przebadali fizycy Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego KNOW w Krakowie, w skład którego wchodzą m.in. Instytut Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN), Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN (IKiFP PAN) i Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Akademii Górniczo-Hutniczej (WFiIS AGH).

- Nasz nowy materiał nie jest izolatorem, jak większość tlenków, lecz metalem. Tak rzadkie dla tlenków połączenie właściwości elektrycznych i magnetycznych powoduje, że może być interesujący dla spintroniki, a także przy konstruowaniu różnego typu czujników i detektorów - - wyjaśnia kierownik Zakładu Komputerowych Badań Materiałów IFJ PAN dr hab. Przemysław Piekarz.

- Modelowaniem materiałów, w tym różnych odmian tlenku żelaza, zajmujemy się od lat. Nasze modele, konstruowane w oparciu o podstawowe zasady mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej, pozwalają wyznaczać położenie atomów w sieci krystalicznej i umożliwiają przewidywanie właściwości elektrycznych, magnetycznych czy termodynamicznych materiału - tłumaczy dr hab. Piekarz.

- Nasz model zawierał warstwę atomów tlenu i żelaza o monoatomowej grubości, osadzoną na podłożu z platyny. Atomy w monowarstwie były ułożone w strukturę heksagonalną, przypominającą plaster miodu - opisuje dr Piekarz. Modelowana warstwa tlenku żelaza okazała się pofałdowana: każdy atom żelaza był tu otoczony trzema atomami tlenu, znajdującymi się odrobinę dalej od podłoża niż żelazo.

Obliczenia przeprowadzone dla pojedynczej monowarstwy pozwoliły ustalić, jakie drgania będą wykonywały atomy w sieci krystalicznej przy różnych energiach. Przewidywania teoretyczne skonfrontowano z rzeczywistością dzięki grupie prof. dr. hab. Józefa Koreckiego (IKiFP PAN i AGH). Nie tylko opracowała ona technologię wytwarzania próbek z wieloma monowarstwami tlenku żelaza na podłożu platynowym, ale także w ciągu kilku lat przeprowadziła za pomocą synchrotronu ESRF w Grenoble szereg pomiarów ich właściwości.

Eksperymenty w synchrotronie w Grenoble pozwoliły stwierdzić, że dane z pomiarów dotyczące drgań atomów w sieci krystalicznej nowej odmiany tlenku żelaza świetnie zgadzają się z modelem teoretycznym. Analiza wyników dla próbek o różnej liczbie warstw przyniosła jednak coś więcej niż tylko samo potwierdzenie poprawności opisu teoretycznego.

Kolejne pomiary wykazały, że gdy liczba monowarstw liczy od sześciu do dziesięciu, atomy żelaza w nowym krysztale wykazują dalekozasięgowe uporządkowanie magnetyczne. To niecodzienna cecha, ponieważ podstawowa odmiana tlenku żelaza jest antyferromagnetykiem, w którym momenty magnetyczne atomów żelaza w różnych miejscach są zorientowane w przeciwnych kierunkach, a więc substancja jako całość nie jest namagnesowana. Tymczasem właściwości magnetyczne nowej odmiany FeO są widoczne nawet w temperaturze pokojowej.

Szczególnie ciekawa okazała się jednak analiza drgań atomów w zależności od liczby warstw FeO na platynie. Dla jednej lub dwóch warstw ruch atomów ma charakter dwuwymiarowy. Gdy liczba warstw wynosi sześć lub więcej, atomy drgają jak w typowym krysztale trójwymiarowym. W badanych dotychczas materiałach charakter drgań był ściśle związany z wymiarowością układu. Tymczasem w nowej odmianie tlenku żelaza przy trzech, czterech i pięciu warstwach atomy okazały się drgać w sposób pośredni, odpowiadający ułamkowym liczbom wymiarów.

- Mamy do czynienia z pierwszym materiałem, w którym charakter drgań atomów stopniowo przechodzi od dwuwymiarowego do trójwymiarowego. Podobny efekt, choć przewidywany teoretycznie, nie był dotychczas obserwowany w żadnej substancji - stwierdza dr Piekarz.