Спиновый эффект Зеебека, активируемый киральными фононами спиновый эффект Зеебека (CPASS) и экспериментальная установка. 
Предоставлено: Материалы природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл использовали киральные фононы для преобразования израсходованного тепла в спиновую информацию без использования магнитных материалов. Открытие может привести к новым классам менее дорогих, энергоэффективных устройств спинтроники для использования в приложениях, начиная от вычислительной памяти и заканчивая электрическими сетями.

Устройства спинтроники — это электронные устройства , которые используют вращение электрона, а не его заряд, для создания тока, используемого для хранения данных, связи и вычислений. Спиновые калоритронные устройства, называемые так потому, что они используют тепловую энергию для создания спинового тока, являются многообещающими, поскольку они могут преобразовывать отработанное тепло в спиновую информацию , что делает их чрезвычайно энергоэффективными. Однако современные спиновые калоритронные устройства должны содержать магнитные материалы, чтобы создавать и контролировать спин электрона.

«Мы использовали киральные фононы для создания спинового тока при комнатной температуре без использования магнитных материалов », — говорит Дали Сан, доцент физики и член лаборатории органической и углеродной электроники (ORaCEL) в Университете штата Северная Каролина.

«Применяя температурный градиент к материалу, содержащему хиральные фононы, вы можете управлять их угловым моментом, а также создавать и контролировать спиновой ток», — говорит Джун Лю, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина и член ORaCEL.

И Лю, и Сун являются соавторами исследования, опубликованного в Nature Materials.

Хиральные фононы — это группы атомов, которые движутся в круговом направлении при возбуждении источником энергии — в данном случае теплом. Когда фононы движутся через материал, они распространяют через него это круговое движение или угловой момент. Угловой момент служит источником вращения, а хиральность определяет направление вращения.

«Хиральные материалы — это материалы, которые нельзя наложить на свое зеркальное отражение», — говорит Сан. «Подумайте о своей правой и левой руках — они хиральны. Вы не можете надеть левостороннюю перчатку на правую руку или наоборот. Эта «рукость» — это то, что позволяет нам контролировать направление вращения, что важно, если вы хотите использовать эти устройства для хранения памяти».

Исследователи продемонстрировали спиновые токи, генерируемые хиральными фононами, в двумерном слоистом гибридном органо-неорганическом перовските, используя температурный градиент для подачи тепла в систему.

«Градиент необходим, потому что разница температур в материале — от горячего до холодного — вызывает движение хиральных фононов через него», — говорит Лю. « Тепловой градиент также позволяет нам использовать захваченное отработанное тепло для генерации спинового тока».

Исследователи надеются, что работа приведет к созданию устройств спинтроники, которые дешевле в производстве и могут использоваться в более широком спектре приложений.

«Устранение потребности в магнетизме в этих устройствах означает, что вы широко открываете дверь с точки зрения доступа к потенциальным материалам», — говорит Лю. «И это также означает повышение экономической эффективности».

«Использование отработанного тепла, а не электрических сигналов для генерации спинового тока делает систему энергоэффективной, а устройства могут работать при комнатной температуре», — говорит Сан. «Это может привести к гораздо более широкому разнообразию устройств спинтроники, чем мы имеем в настоящее время».