Ученые разрешили 20-летний спор о направлении спина электронов на поверхности золота

Состояние электронов на поверхности Au(111) было проанализировано с использованием мягкого рентгеновского излучения и двумерного детектора спина. Автор: Фумихико Мацуи

Исследователи из Института молекулярных наук (IMS) окончательно разрешили двадцатилетнюю дискуссию о направлении спина электронов на поверхности золота.

С помощью современного микроскопа фотоэлектронного импульса (PMM) на синхротроне UVSOR команда получила полные двумерные снимки поверхностного состояния Шокли Au(111), отобразив как спин электрона, так и форму его орбитали. Работа опубликована в Journal of the Physical Society of Japan.

Эксперимент однозначно подтвердил эффект Рашбы — связь движения электрона с его спином — показав, что внешняя электронная зона имеет спин, вращающийся по часовой стрелке, а внутренняя — против часовой стрелки, если смотреть со стороны вакуума.

Методология исследования

Уникальность эксперимента заключалась в использовании PMM с двумя полусферическими анализаторами, способного одновременно фиксировать широкую двумерную карту импульса и энергии электронов. Для детектирования спина применялся «спиновый ротатор» перед двумерным спиновым фильтром на кристалле иридия.

Схема микроскопа фотоэлектронного импульса на синхротроне UVSOR. Автор: Фумихико Мацуи и Томохиро Мацусита

Калибровка системы была проверена на ферромагнитном образце Ni(110), что гарантировало точное соответствие сигнала реальному физическому направлению спина.

Значение для науки

Исследование устанавливает надежный эталонный набор данных для спиновой фотоэмиссии, что открывает путь к созданию высокоэффективных спинтронных устройств — будущей технологии, использующей спин электронов для создания новых функциональных устройств.

Анализ спиновой ориентации электронов на поверхности Au(111). Автор: Фумихико Мацуи

Использование VUV-излучения при нормальном падении также позволило идентифицировать доминирующие 6s и 6p атомные орбитали, формирующие поверхностное состояние, и подтвердить правило орбитального отбора.

Новая методология позволяет быстро и одновременно отображать полные 2D спиновые и орбитальные текстуры, что может быть расширено для создания «атласа» спиновых текстур различных материалов.

Больше информации: Fumihiko Matsui et al, Spin and Orbital Polarizations of Au(111) Surface State Determined by Photoelectron Momentum Microscope, Journal of the Physical Society of Japan (2025). DOI: 10.7566/jpsj.94.114707