موضوع مقاله: میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی قطبیده اسپینی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی قطبیده اسپینی | مقدمه: میکروسکوپ تونلی روبشیِ قطبیدهٔ اسپینی (SP-STM) نوعی میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) است که افزون بر ارائهٔ توپوگرافی اتمیِ متداول در STM، امکان دسترسی به اطلاعات دقیق دربارهٔ پدیده‌های مغناطیسی در مقیاس تک‌اتمی را فراهم می‌کند. | ## بخش 1: میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی قطبیده اسپینی | SP-STM رویکردی نوین به مطالعهٔ فرایندهای مغناطیسیِ ایستا و پویا گشوده است؛ از جمله بررسی دقیق دیواره‌های دامنه در سامانه‌های فرومغناطیسی و آنتی‌فرومغناطیسی، و همچنین مطالعهٔ سوئیچینگ حرارتی و سوئیچینگ القاشده به‌وسیلهٔ جریان در نانوذرات مغناطیسی را امکان‌پذیر می‌سازد. اصل کار یک نوکِ بسیار تیز که با لایه‌ای نازک از مادهٔ مغناطیسی پوشانده شده است، به‌صورت سیستماتیک بر سطح نمونه جابه‌جا می‌شود. با اعمال یک ولتاژ میان نوک و نمونه، امکان تونل‌زنی الکترون‌ها میان آن دو فراهم می‌گردد و جریانی ایجاد می‌شود. در غیاب پدیده‌های مغناطیسی، شدت این جریان نشان‌دهندهٔ ویژگی‌های الکترونیکیِ موضعیِ سطح است. اگر نوکِ میکروسکوپ خاصیت مغناطیسی گرفته باشد، الکترون‌هایی که اسپینشان با جهت مغناطش نوک هم‌راستا است، احتمال بیشتری برای تونل‌زنی خواهند داشت. این پدیده در واقع همان مقاومت مغناطیسی تونلی است و مجموعهٔ نوک و سطح نمونه، نقش یک سوپاپ اسپینی را ایفا می‌کند. از آنجایی که اسکن با یک نوک مغناطیسی شده نمیتواند بین تغییرات جریان ناشی از مغناطش و تغییرات ناشی از فاصله نوک تا سطح تمایز قائل شود. این روش امکان تصویرسازی مغناطیسی در مقیاس اتمی، به‌ویژه در سیستم‌های آنتی‌فرومغناطیسی، را فراهم می‌کند. با مدوله کردن مغناطش نوک توسط یک سیم‌پیچ کوچک در فرکانس بالا (۲۰–۳۰ کیلوهرتز)، می‌توان اطلاعات توپوگرافی و مغناطیسی را همزمان ثبت کرد. در چنین شرایطی، سرعت تغییر مغناطش نوک به حدی است که حلقه بازخورد STM فرصتی برای واکنش پیدا نمی‌کند و اطلاعات توپوگرافی بدون تغییر باقی می‌ماند. امپلی‌فایر قفل‌شونده سیگنال فرکانس بالا را تفکیک می‌کند و از این طریق داده‌های مغناطیسی سطح حاصل می‌شود. در میکروسکوپ تونلی روبشی استاندارد (STM)، احتمال تونل‌زنی الکترون‌ها میان نوک و نمونه به‌شدت تابع فاصله‌ی بین آن‌هاست، زیرا با افزایش این فاصله، مقدار احتمال به‌صورت نمایی کاهش پیدا می‌کند. در STM با قطبش اسپینی (SP-STM)، علاوه بر فاصله، جهت‌گیری اسپینی نوک و نمونه نیز بر جریان تونل‌زنی تأثیر می‌گذارد. چگالی موضعی حالت‌ها (LDOS) نوک مغناطیسی و نمونه برای جهت‌گیری‌های اسپینی مختلف متفاوت است و تونل‌زنی فقط می‌تواند بین حالت‌هایی با اسپین موازی (با صرف نظر از فرآیندهای معکوس کردن اسپین ) رخ دهد. هنگامی که اسپین نمونه و نوک موازی هستند، حالت‌های موجود زیادی وجود دارد که الکترون‌ها می‌توانند به آنها تونل بزنند، در نتیجه جریان تونل‌زنی بزرگی ایجاد می‌شود. از سوی دیگر، اگر اسپین‌ها غیرموازی باشند، بیشتر حالت‌های موجود از قبل پر شده‌اند و جریان تونل‌زنی به طور قابل توجهی کوچکتر خواهد بود. با استفاده از SP-STM می‌توان چگالی موضعی حالت‌های وابسته به اسپین را در نمونه‌های مغناطیسی از طریق اندازه‌گیری رسانایی تونلی بررسی کرد. رسانایی تونلی، که به‌صورت G=dI/dU تعریف میشود،در ناحیۀ بایاس کوچک مطابق رابطه‌ی ارائه‌شده به دست می‌آیددر این رابطه، رسانایی تونلی در حالت غیرمغناطیسی است و ماتریس تونلینگ را نشان می‌دهد که انتقال‌ها بین حالت‌های وابسته به اسپین نوک و نمونه را توصیف می‌کند. در حالت کلی‌تر، با اعمال ولتاژ بایاس محدود ، جریان تونلی در مکان نوک به صورت زیر بیان می‌شود:در این رابطه، C یک ثابت است، طول معکوس واپاشی تابع موج الکترون را نشان می‌دهد و e و m به‌ترتیب بار و جرم الکترون هستند. چگالی حالت‌های انرژی‌ادغام‌شده (LDOS) نوک است و و بردارهای مغناطیسی متناظر LDOS قطبش‌یافته اسپینی هستند. جریان تونلی به دو بخش تقسیم می‌شود: یک بخش مستقل از اسپین و یک بخش وابسته به اسپین . نوک باید از نظر اتمی تیز باشد تا بتواند وضوح مکانی تا سطح اتمی را فراهم کند، قطبش اسپینی کافی داشته باشد تا نسبت سیگنال به نویز مناسب ایجاد شود، و در عین حال میدان مغناطیسی اضافی ناچیز داشته باشد تا امکان بررسی مغناطیسی نمونه بدون آسیب را فراهم کند. همچنین جهت اسپین در رأس نوک باید کنترل شود تا بتوان مشخص کرد کدام جهت اسپین نمونه تصویر می‌شود. برای جلوگیری از اکسید شدن، معمولاً آماده‌سازی نوک باید در محیط خلاء فوق‌العاده بالا (UHV) انجام شود. | ## بخش 2: میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی قطبیده اسپینی | ابتدا مواد مغناطیسی حجیم، مانند آهن، به صورت الکتروشیمیایی اچ می‌شوند تا یک تنگه ایجاد شود، و زمانی که ماده کشیده می‌شود، در تنگه شکسته شده و نوکی تیز تشکیل می‌شود. به صورت جایگزین، می‌توان ماده را تا زمان شکل‌گیری نوک اچ کرد، اما در این حالت نیاز به یک فرایند تمیز کردن نوک در محیط خلا فوق‌العاده بالا (UHV) وجود دارد. آهن دارای مغناطش اشباع بالایی است که باعث ایجاد میدان مغناطیسی اضافی بزرگ در اطراف نوک می‌شود و در نتیجه تصویرسازی غیرمخرب امکان‌پذیر نیست. نوک‌های آهن می‌توانند برای اندازه‌گیری نمونه‌های آنتی‌فرومغناطیس یا فری‌مغناطیس مورد استفاده قرار گیرند. برای تصویرسازی غیرمخرب، نوک‌ها می‌توانند از مواد آنتی‌فرومغناطیس مانند Cr یا MnNi ساخته شوند، اما در این حالت تضاد اسپینی تصویر کاهش می‌یابد زیرا جریان‌های تونلی از حالت‌های مختلف اسپین تا حدی یکدیگر را خنثی می‌کنند. نوک غیرمغناطیسی با پوشش بسیار نازک از ماده مغناطیسی، روش دیگری برای آماده‌سازی نوک SP-STM است. ابتدا ماده غیرمغناطیسی اچ و با بمباران الکترونی و گرمادهی سریع تمیز می‌شود تا اکسیدها و سایر آلودگی‌ها از بین بروند. سپس نوک با لایه‌ای نازک از ماده مغناطیسی پوشانده می‌شود که ضخامت آن کمتر از قطر نوک است. در این فیلم‌های نازک، جهت‌گیری مغناطش توسط آنیزوتروپی‌های سطح و رابط تعیین می‌شود. با انتخاب ماده و ضخامت مناسب، نوک می‌تواند برای اندازه‌گیری جهت‌های مغناطیسی در صفحه یا عمود بر صفحه آماده شود. برای فیلم‌های نازک فرو مغناطیسی، می‌توان از میدان مغناطیسی خارجی برای تغییر جهت مغناطش نوک استفاده کرد تا همان نوک قادر به اندازه‌گیری هر دو جهت باشد. برای افزایش وضوح مکانی، می‌توان ولتاژ بایاس بین نوک و نمونه اعمال کرد که باعث مهاجرت اتم‌های فیلم نازک به سمت رأس نوک و تیزتر شدن آن می‌شود. حتی با وجود پوشش فیلم نازک، نوک همچنان دارای میدان مغناطیسی اضافی است که می‌تواند نمونه را تحت تأثیر قرار دهد. نوک غیرمغناطیسی با خوشه‌ای از ماده مغناطیسی یک روش دیگر برای آماده‌سازی نوک SP-STM است. در این روش، پالس‌های ولتاژی بین نوک غیرمغناطیسی و نمونه مغناطیسی اعمال می‌شود که باعث می‌شود ماده مغناطیسی نمونه به نوک بچسبد. به صورت جایگزین، نوک می‌تواند در ماده مغناطیسی فرو برده شود و سپس خارج شود، به طوری که خوشه‌ای از ماده به نوک متصل شود، مشروط بر این که ماده مغناطیسی به خوبی نوک را تر کند. حالت‌های عملیاتی SP-STM می‌تواند در یکی از سه حالت عملیاتی کار کند: حالت جریان ثابت، حالت اسپکتروسکوپی که مشابه حالت‌های عملیاتی STM استاندارد است اما با تفکیک اسپینی، و حالت مغناطش نوک مدوله‌شده که منحصر به اندازه‌گیری‌های SP-STM است. در حالت جریان ثابت، فاصله بین نوک و نمونه توسط یک حلقه بازخورد الکتریکی ثابت نگه داشته می‌شود. جریان تونلی اندازه‌گیری‌شده از دو بخش تشکیل می‌شود: بخش میانگین اسپین و بخش وابسته به اسپین که می‌توان آن‌ها را از داده‌ها استخراج کرد. جریان تونلی عمدتاً توسط کوچک‌ترین بردار شبکه متقابل غیرصفر کنترل می‌شود، به این معنا که ساختارهای ابرمغناطیسی که معمولاً طولانی‌ترین دوره‌های فضایی واقعی را دارند (و بنابراین کوتاه‌ترین دوره‌ها در فضای متقابل)، بیشترین سهم را در جریان تونلی وابسته به اسپین دارند. بنابراین، SP-STM روش بسیار مناسبی برای مشاهده ساختار مغناطیسی نمونه است تا ساختار اتمی آن. نکته منفی این است که مطالعه مقیاس‌های بزرگ‌تر از اتمی در حالت جریان ثابت دشوار است، زیرا ویژگی‌های توپوگرافی سطح ممکن است با ویژگی‌های مغناطیسی تداخل کنند و تحلیل داده‌ها را بسیار مشکل کنند. حالت دوم عملیاتی، حالت طیف سنجی تفکیک اسپین است که رسانایی تونلی موضعی را به عنوان تابعی از ولتاژ بایاس و مختصات مکانی نوک اندازه‌گیری می‌کند. حالت اسپکتروسکوپی می‌تواند تحت شرایط جریان ثابت استفاده شود که در آن فاصله نوک و نمونه تغییر می‌کند و اطلاعات توپوگرافی و الکترونیکی با هم ترکیب می‌شوند و سپس قابل تفکیک هستند. | ## بخش 3: میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی قطبیده اسپینی | اگر حالت اسپکتروسکوپی با فاصله ثابت نوک-نمونه به کار رود، اندازه‌گیری‌شده به طور مستقیم با چگالی موضعی حالت‌های تفکیک اسپین نمونه مرتبط است، در حالی که جریان تونلی اندازه‌گیری‌شده متناسب با چگالی حالت‌های اسپین‌قطبش‌یافته انرژی‌ادغام‌شده است. با ترکیب حالت اسپکتروسکوپی با حالت جریان ثابت، می‌توان هم داده‌های توپوگرافی و هم داده‌های سطحی تفکیک اسپینی را به دست آورد. حالت سوم استفاده از SP-STM، حالت مغناطش نوک مدوله‌شده است که در آن مغناطش نوک به‌طور دوره‌ای تغییر می‌کند و جریان تونلی متناسب با مغناطش موضعی نمونه اندازه‌گیری می‌شود. این امکان را فراهم می‌کند تا ویژگی‌های مغناطیسی از ویژگی‌های الکترونیکی و توپوگرافی جدا شوند. از آنجا که چگالی حالت‌های اسپین‌قطبش‌یافته می‌تواند هم مقدار و هم علامت خود را با توجه به انرژی تغییر دهد، جریان تونلی اندازه‌گیری‌شده ممکن است حتی در صورت وجود مغناطش نمونه به صفر برسد. بنابراین وابستگی جریان تونلی اسپین‌قطبش‌یافته به ولتاژ در حالت مغناطش مدوله‌شده نیز باید بررسی شود. تنها نوک‌های فرو مغناطیسی برای این حالت مناسب هستند، به این معنا که میدان‌های اضافی آن‌ها ممکن است تصویرسازی غیرمخرب را غیرممکن سازد. کاربردهای SP-STM میکروسکوپ تونل‌زنی اسپین‌قطبش‌یافته یک ابزار چندکاره است که به دلیل حساسیت سطحی بالا و وضوح جانبی تا مقیاس اتمی توجه زیادی را به خود جلب کرده است و می‌تواند به عنوان یک ابزار مهم برای مطالعه مواد فرو مغناطیسی، مانند دیسپروزیوم (Dy)، فیلم‌های نازک شبه دوبعدی، جزایر نانویی و نانو‌سیم‌های شبه یک‌بعدی با آنیزوتروپی مغناطیسی بالا، مورد استفاده قرار گیرد. تضاد مغناطیسی به دلیل حضور حالت‌های الکترونیکی که در خوشه اتم‌های Dy روی رأس نوک اشغال نشده‌اند، افزایش می‌یابد . تشکیل دیواره‌های دامنه 360 درجه در فیلم‌های فرو مغناطیسی نقش مهمی در ساخت دستگاه‌های حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی (MRAM) دارد. این دیواره‌ها زمانی شکل می‌گیرند که میدان مغناطیسی خارجی در امتداد جهت آسان ماده مغناطیسی اعمال شود و دو دیواره 180 درجه، که جهت چرخش یکسانی دارند، به یکدیگر نزدیک شوند. Kubetzka و همکاران انجام شد ، از SP-STM برای اندازه‌گیری تکامل پروفیل دیواره دامنه 360 درجه دو نانو‌سیم آهن با ضخامت دو لایه اتمی استفاده شد و میدان مغناطیسی خارجی در بازه 550 تا 800 میلی‌تسلا تغییر داده شد. پدیده تداخل کوانتومی در جزایر کبالت که روی زیرلایه مس (111) رسوب داده شده‌اند مشاهده شده است. این پدیده به دلیل پراکندگی ایجاد شده توسط نقص‌های سطحی الکترون، مانند لبه‌های تراس، ناخالصی‌ها یا جذب‌کننده‌ها روی سطح فشرده فلز نجیب، تبیین شده است. از SP-STM برای بررسی ساختار الکترونیکی جزایر مثلثی کبالت روی زیرلایه مس (111) استفاده شده است. این مطالعه نشان می‌دهد که زیرلایه و جزایر هر کدام الگوهای موج ایستای خود را دارند و این اطلاعات می‌تواند برای شناسایی مواد اسپین‌قطبش‌یافته به کار رود. پیشرفت‌های جدید در SP-STM نشان می‌دهد که این تکنیک می‌تواند برای بررسی پدیده‌های پیچیده‌ای به کار رود که با سایر روش‌های تصویربرداری قابل توضیح نیستند. ناخالصی‌های غیرمغناطیسی، مانند اکسیژن روی سطح مغناطیسی (لایه دوگانه آهن روی زیرلایه تنگستن) منجر به تشکیل امواج اسپین‌قطبش‌یافته می‌شوند. ناخالصی اکسیژن جذب‌شده روی لایه دوگانه آهن می‌تواند برای مطالعه تعامل بین ناخالصی‌های کوندو و برهم‌کنش RKKY استفاده شود. این مطالعه نشان می‌دهد که حالت‌های پراکندگی ناهمسانگرد را می‌توان در اطراف اتم‌های اکسیژن منفرد جذب‌شده روی لایه دوگانه آهن مشاهده کرد، و این اطلاعاتی درباره ویژگی‌های اسپینی حالت‌های الکترونیکی درگیر در فرآیند پراکندگی ارائه می‌دهد. به طور مشابه، وجود آنتی‌فرومغناطیس دوبعدی در رابط بین منگنز (Mn) و W(110) با استفاده از تکنیک SP-STM مشاهده شده است. اهمیت این مطالعه در آن است که ناهمواری‌های اتمی موجود در رابط بین Mn و W(110) باعث ایجاد اختلال در تعاملات مغناطیسی می‌شود و ساختارهای اسپینی پیچیده‌ای به وجود می‌آورد که با سایر روش‌ها قابل بررسی نیستند. روش جایگزین روش دیگر برای به دست آوردن توزیع مغناطش، استفاده از نوکی است که جریان قوی از الکترون‌های اسپین‌قطبش‌یافته تولید می‌کند. یکی از روش‌های انجام این کار، تاباندن نور لیزر قطبش‌یافته روی نوک GaAs است که به دلیل اثر اسپین-مداری، الکترون‌های اسپین‌قطبش‌یافته تولید می‌کند. | ## جمع‌بندی | یکی از محدودیت‌های این روش این است که مؤثرترین منبع الکترون‌های اسپین‌قطبش‌یافته زمانی به دست می‌آید که نور لیزر دقیقاً از روبروی نوک تابیده شود، یعنی از میان خود نمونه عبور کند.