Взаимодействие магнитных слоев и поляризация спинов электронов в четырехслойных структурах из ферромагнитного и немагнитного полупроводников

Abstract

Для полупроводниковых структур с двумя ферромагнитными барьерами и немагнитными слоями, являющимися потенциальными ямами для электронов, рассмотрены электронный энергетический спектр, энергия обменного взаимодействия магнитных слоев Еm и относительная поляризация спинов электронов β. На примере структур EuS/PbS (001) показано, что в случае статистики Ферми Еm является знакопеременной осциллирующей функцией ширины потенциальной ямы а между барьерами, причем при увеличении концентрации электронов в ямах n₀ и толщины немагнитного подслоя d между барьером и подложкой экстремумы Еm смещаются в сторону меньших а и их амплитуды быстро возрастают. При понижении температуры от точки Кюри в зависимости от а, n₀ и d энергия Еm может монотонно (или немонотонно) возрастать (по модулю) либо изменять знак с положительного на отрицательный, либо дважды менять знак. Поляризация β уменьшается при увеличении а, n₀ и d, совершая резкие скачки при изменении знака Еm. Для статистики Больцмана возможна только ферромагнитная ориентация намагниченностей барьеров (Еm< 0).

The electron energy spectrum, the energy Em of the exchange coupling between magnetic layers, and the relative polarization β of the electron spins in semiconductor structures with two ferromagnetic barriers and nonmagnetic layers acting as potential wells for electrons are considered. For the example of EuS/PbS(001) structures it is shown that in the case of Fermi statistics Em is a sign-varying oscillatory function of the width a of the potential well between barriers, and with increasing electron density n₀ in the wells and increasing thickness d of the nonmagnetic sublayers between the barrier and substrate, the extrema of Em are shifted to smaller aa and their amplitudes rapidly increase. As the temperature is lowered from the Curie point, the energy Em, depending on a, n₀, and d, can increase (in modulus) monotonically or nonmonotonically, change sign from positive to negative, or change sign twice. The polarization β decreases with increasing a, n₀, and d, undergoing sharp jumps when Em changes sign. For Boltzmann statistics only a ferromagnetic orientation of the barrier magnetizations (Em<0) is possible.