用低能电子衍射探索NiO的表面性质

自旋电子学是一个涉及电子学的领域，它利用电子的固有自旋及其相关磁矩来实现量子计算和内存存储设备等应用。由于其在绝缘体-金属相变中表现出的自旋和磁性，氧化镍(NiO)的强相关电子系统已被彻底探索了八十多年。由于NiO 是超快自旋电子器件的潜在材料，人们对其独特的反铁磁 (AF) 和自旋特性的兴趣最近重新兴起。

尽管越来越受欢迎，但自 20 世纪 70 年代以来，使用低能电子衍射 (LEED) 技术探索其表面磁性并没有受到太多关注。为了回顾对表面特性的理解，日本上智大学材料与生命科学系的 Masamitsu Hoshino 教授和名誉教授 Hiroshi Tanaka 重新审视了 NiO 的表面 LEED 晶体学。他们研究AF 单晶 NiO 中Ni 2+离子相干交换散射的定量实验研究结果于 2023 年 12 月 11 日发表在《欧洲物理杂志 D》上。

对于这项研究，研究人员有两个主要目标：改进用于破译 NiO 的 Ni 2+离子对低能电子的相干自旋交换散射的旧实验技术，并使用最新技术提供可靠的理论分析。

他们首先利用 LEED 方法对 NiO 晶体的表面原子进行了定量表征。这使他们能够通过 IV 光谱探索 LEED 对“半阶光束”强度的能量依赖性。通过检查 IV 曲线，研究人员观察到由于表面波谐振 (SWR) 效应而导致的谐振增强。这使得团队分析了 LEED 在最大强度下的温度依赖性以及 SWR 条件下的表面自旋特性——传播衍射光束几乎平行于晶体表面出现的状态。

为了建立坚实的理论基础(澄清理论背景)，研究人员使用(更复杂的)LEED 动力学理论来解释实验结果，并清楚地揭示了 IV 曲线中观察到的 SWR。在较宽的温度范围内测量的温度依赖性使得能够与传统分子场理论进行更定量的比较。

这项研究不仅成功地证实了先前关于表面自旋结构和磁性能的实验数据，而且首次提供了半阶光束的 IV 谱、驻波比条件以及宽温度范围内的温度依赖性。

与表现出磁性的铁磁材料不同，AF 材料不表现出其自旋排列所表明的磁性，因此被视为“不可用的材料”。然而，他们现在正在重生。现在经常使用这个短语，而术语“不可用的材料”源自Néel 的诺贝尔奖演讲(1970 年)。”当被问及重新审视 NiO LEED 实验背后的动机时，研究人员说道。“此外，这项研究正处于一个经典和新的研究主题的风口浪尖，该主题始于 20 世纪 70 年代，通过诺贝尔奖 获得者 NF Mott 教授的个人交流开始，NF Mott 教授因在莫特绝缘体(例如 NiO)研究方面取得突破而闻名，正如参考。” 他们进一步评论道：“这项研究是专门的，侧重于学术和基础方面，并不面向公众，但可能有助于阐明有前途的反铁磁材料的物理和化学性质。”