Kombinerer spintronik og kvantetermodynamik for at høste energi ved stuetemperatur

Nutidens energihungrende globale samfund kæmper med, hvordan man kan afbøde virkningerne af menneskeskabte klimaændringer, og under hvilke betingelser for frivillig/tvangsmæssig tilpasning. Nuværende teknologier uden fossile brændstoffer ser ud til at være utilstrækkelige/utilstrækkelige til at imødegå denne skræmmende udfordring. At tackle denne udfordring fra et teknologisk synspunkt vil derfor sandsynligvis kræve modning af dristige nye fysiske koncepter, som kan hurtigt spores teknologisk.

Et internationalt videnskabeligt hold fra CNRS, universitetet i Strasbourg og universitetet i Lorraine i Frankrig, sammen med Uppsala Universitet i Sverige, har tilfældigt opdaget et sådant begreb i det dårligt forståede/dokumenterede skæringspunkt mellem to ellers adskilte forskningsfelter. Spintronics omfatter næste generation, laveffektelektronik, der udnytter elektronens kvantespin-egenskab. Det beskæftiger sig således mest med informationslagring/kommunikationsteknologier. Kvantefysik/termodynamik har til formål at genoverveje termodynamikkens regler, når stof er begrænset på nanoskala for at udvise kvanteegenskaber, og dermed at forstå, hvordan kvantemotorer fungerer.

Holdets eksperimenter og analyser viser, at det er muligt at samle en elektrisk generator, der udnytter elektronspindet til at høste termiske udsving ved stuetemperatur. Med henvisning til motorens skema, høsten af ​​den omgivende temperatur sker over paramagnetiske (PM) centre - magneter på atomniveau, hvis orientering svinger på grund af varme. Motorens elektroder, kaldet spintronic vælgere, tillade elektroner med kun et spin (↑ i rødt, eller ↓ i blåt) for at udføre. Fordi varme blander elektronspinnet på PM-centret (midten) med energetisk adskilte spinenerginiveauer, transport (gule linjer) mellem PM-centret og elektroderne sker ved forskellige energiniveauer for hver elektrode. Dette medfører, at der opstår en spontan forspænding V mellem elektroderne, og dermed en spontan strøm til at flyde, når det elektriske kredsløb er lukket.

Holdet brugte analytiske og ab-initio teorier til at etablere en forbindelse mellem dette spin motor koncept og stuetemperatur eksperimenter på en solid-state spintronic enhed kaldet en magnetisk tunnel junction (MTJ). Her, grænsefladen mellem det ferromagnetiske metal Co og carbonatomer blev brugt som en spintronisk vælger, og carbonatomer, der erstatter oxygenatomer i MgO-tunnelbarrieren som PM-centre.

Ifølge forsøgene, hvis sådanne enheder kunne masseproduceres med høje succesudbytter, så på nuværende tidspunkt tætheder af MgO MTJ'er i næste generations hukommelser, dette koncept kunne give chips, der kontinuerligt producerer elektrisk strøm med en arealeffekttæthed, der er 3 gange større end rå solbestråling på Jorden. Udfordringen er nu at bekræfte visse grundlæggende aspekter af denne motors drift, at opnå enhedens reproducerbarhed ved på atomniveau at kontrollere positionen og egenskaberne af PM-centrene i en passende solid-state enhed, at implementere CMOS-backend-integration (f.eks. takket være eksisterende fremskridt med MgO MTJ-teknologier), at håndtere tekniske problemer såsom varmeflow og sammenkoblingstab, og for at sænke den resulterende chips arealomkostninger drastisk.

For at afværge klimakatastrofe inden for den GIEC-bestemte 11-årige tidsramme ved hjælp af en teknologisk løsning som denne vil det kræve en massiv, fokuseret virksomhed svarende til det, der blev indsat i Manhattan-projektet, kombinere videnskabsmænd, Politikere og industrielle partnere arbejder allerede på MTJ-baserede spintronic-teknologier. Hjemmesiden under opbygning vil hjælpe med at kommunikere om dette tilsagn. Som et mål for håb, der gik kun syv til ni år mellem opdagelsen af ​​spintronics i 1986-1988 og de første resulterende kommercielle produkter. Hvis løsningen på klimakrisen skal involvere ny teknologi, radikalt nye fysiske koncepter, der teknologisk kan hurtigt spores, bør, fra nu af, behandles med den hast og prioritering, som indsatsen for en klimakatastrofe varsler.