Sonder le magnétisme de surface avec des ions fortement chargés

Probing Surface Magnetism with Highly Charged Ions

• Auteur / Autrice : Perla Dergham
• Direction : Martino Trassinelli, Christophe Prigent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Dubois
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laura Steren, Clara Grygiel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrons Auger

Spectroscopie des rayons X

Électrons -- Capture

Interactions d'ions lourds

Magnétisme

Mots clés libres

Ions fortement chargés

Collision ion-surface

Propriétés magnétiques

Détection par rayons X

Highly charged ions

Ion-surface collision

Magnetic properties

X-Ray detection

Résumé

Aux énergies inférieures au MeV, les collisions entre un ion et un échantillon solide sont caractérisées par la capture de plusieurs électrons de la surface de l'échantillon par les ions du projectile. Lorsque l'échantillon présente des propriétés magnétiques, on s’attend que la présence d'un ordre magnétique à la surface affecte le nombre quantique de spin (S) des niveaux excités occupés par les électrons capturés. Les rayonnements d'Auger et radiatifs résultant de la désexcitation des atomes peuvent donc potentiellement garder trace de l'ordre magnétique à la surface de l'échantillon. Dans le passé, la détection d'une phase ferromagnétique par des interactions ion-surface a été démontrée à l'aide de la spectroscopie Auger. Cependant, ces observations ont été questionnées en raison de nouvelles mesures similaires sans signature du magnétisme et indiquant une possible contamination de l'échantillon dans les mesures précédentes via un changement de la fonction d’extraction avec la température et son influence sur l’énergie des électrons Auger émis. Afin de pallier les limitations des spectres Auger et d'obtenir des résultats plus quantitatifs, le magnétisme de surface est étudié ici par spectroscopie des rayons X. Des résultats préliminaires sont présentés pour l'interaction entre un faisceau d'ions Ar17+ de 170 keV et un monocristal de nickel (110) à différentes températures, où l'échantillon subit une transition de phase ferromagnétique-paramagnétique à 350 °C. Les spectres sont enregistrés à l'aide d'un détecteur à dérive de silicium et montrent une claire dépendance vis-à-vis de la température de l'échantillon. Les caractéristiques des transitions de l'état n = 2 → 1 montrent un décalage vers des énergies plus basses à des températures plus élevées, indiquant un plus grand nombre d'électrons dans le niveau n = 2. Vu l’absence d’influence de changements de la fonction d’extraction sur les photons, ces observations sont interprétées comme une signature de perte d'alignement de spin dans les électrons capturés à cause de la transition de phase magnétique de l’échantillon. La perte d’alignement de spins cause une réduction de l'effet d'exclusion de Pauli dans le niveau n = 2, conduisant à un écrantage du noyau plus important et par conséquence des énergies des rayons X émis moins important.

At energies below MeV, collisions between an ion and a solid sample are characterized by the capture of multiple electrons from the sample surface by the projectile ions. When the sample exhibits magnetic properties, the presence of magnetic ordering on the surface is expected to affect the spin quantum number (S) of the excited levels occupied by the captured electrons. The resulting Auger and radiative radiation during atom de-excitation can potentially retain information about the magnetic order on the sample surface. In the past, the detection of a ferromagnetic phase through ion-surface interactions was demonstrated using Auger spectroscopy. However, these observations were questioned due to new similar measurements that lacked magnetic signatures and indicated possible sample contamination in the previous measurements via a change in the work function with temperature, influencing the energy of emitted Auger electrons. To address the limitations of Auger spectra and achieve more quantitative results, surface magnetism is investigated here using X-ray spectroscopy. Preliminary results are presented for the interaction between a 170 keV Ar17+ ion beam and a nickel (110) single crystal at various temperatures where the sample undergoes a ferromagnetic-paramagnetic phase transition at 350 °C. The spectra are recorded using a silicon drift detector and show a clear dependence on the sample temperature. The characteristics of the unresolved transitions from the n = 2 → 1 state exhibit a shift to lower energies at higher temperatures, indicating a greater population of electrons in the n = 2 level. Given the lack of influence of changes in the work function on photon, these observations are interpreted as a signature of spin alignment loss in the captured electrons due to the sample magnetic phase transition. The loss of spin alignment leads to a reduction in the Pauli exclusion effect in the n = 2 level, resulting in more significant nucleus screening and consequently lower energies of emitted X-rays.