Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Nyt køleelement i nanoskala fungerer også i elektriske isolatorer

Prøven brugt til målingen. I midten, fra top til bund, er platinstrimlen. Elektroner bevæger sig gennem denne strimmel og producerer en spinstrøm i retning af den underliggende isolator. Elektronernes spins, der når grænsen, sikrer, at spindene i isolatoren bliver exciterede. To zigzag-formede termometre lavet af platin og konstantan måler temperaturforskellen tæt på grænsen. Kredit:Fundamental Research on Matter (FOM)

(Phys.org) —Forskere fra FOM Foundation, universitetet i Groningen, Delft University of Technology og Tohoku University i Japan har designet et minimalt køleelement, der bruger spinbølger til at transportere varme i elektriske isolatorer. Køleelementet kunne bruges til at sprede varme i de stadigt mindre elektriske komponenter i computerchips. Forskerne offentliggjorde deres design online den 7. juli 2014 i Fysiske anmeldelsesbreve .

Køleelementets funktion er baseret på elektronernes spin. Spin er en fundamental egenskab ved en elektron, der svarer til dens magnetiske moment (styrken og retningen af ​​dens magnetiske felt). Selvom fysikere har brugt spin til køleformål før, det er første gang, at de med succes har gjort dette i isoleringsmaterialer.

Varmetransport gennem en nanopiller

I tidligere forskning, forskerne lod en strøm af elektroner strømme gennem magnetiske metaller. I et magnetfelt, disse elektroners spin vil flugte i samme retning, nemlig parallelt med magnetiseringen. Forskerne sendte elektronerne gennem en søjle, der bestod af to magnetiske lag (med et ikke-magnetisk lag imellem). Den anvendte søjle var minimal - omkring tusind gange mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår.

En elektron, der starter i det nederste lag, justerer sit spin efter magnetiseringsretningen i dette lag. Efterfølgende strømmer elektronen til det øverste lag. Hvis magnetiseringsretningen der er den samme som i bundlaget, er spindet stadig orienteret parallelt med magnetiseringen. Elektroner med en parallel spin-retning transporterer mere varme end elektroner med en modsat spin-retning. Så i dette tilfælde, elektronerne sørger for, at der transporteres meget varme gennem hele søjlen. Hvis elektronerne, imidlertid, støder på en magnetisering i modsat retning i det øverste lag, varmetransporten undertrykkes. Ved at bruge denne viden har forskerne med succes forårsaget en målbar temperaturforskel mellem de to sider af søjlen.

Spin bølger

Denne metode virker ikke i en elektrisk isolator - et materiale, der ikke let leder elektroner. Alligevel, forskerne har nu fundet en kølemetode, der også virker i isoleringsmaterialer. I den nye forskning påviste de, at spindene på grænsen mellem et ikke-magnetisk metal og en magnetisk isolator forårsager såkaldte spin-bølger, der transporterer varme til eller fra materialet.

Forskerne brugte en 200 nanometer tyk isolator af yttrium-jern granat (et mineral) med et 20 gange 200 mikrometer lag platin på toppen. Elektroner kan nemt strømme gennem det ledende platin, men når de når den isolerende granat kan de ikke komme længere. Alligevel, elektronernes spin overføres:elektronens magnetiske moment påvirker det magnetiske moment (og dermed spindet) af elektronerne i isolatoren, der er ved grænsen mellem de to materialer. Gennem magnetisk kobling overføres denne spinændring efterfølgende til elektroner, der er placeret længere væk fra grænsen. På denne måde ser det ud til at en bølge af spinændringer fortsætter gennem materialet. Spin-bølgen overfører også varme til eller fra grænsen. Afhængig af retningen af ​​både spindet og magnetiseringen i mineralet, grænsen vil derfor afkøle eller varme op.

Termometre

Forskerne placerede små, meget følsomme termometre kun få mikrometer væk fra grænsen og brugte disse til at detektere temperaturforskellene, mens elektroner strømmede gennem platinstrimlen. Fysikerne sammenlignede efterfølgende deres målinger med ovennævnte teori. Temperaturforskellene, kun 0,25 millicelsius i størrelse, synes at bekræfte teorien.

Denne forskning blev i fællesskab finansieret af FOM Fonden, NanoLab NL, JSPS, Deutsche Forschungsgemeinschaft, EU-FET Grant InSpin 612759 og Zernike Institute for Advanced Materials.


Varme artikler