Как тепло течет в магнитном изоляторе и как можно обнаружить этот тепловой поток
Исследователи из Северо-Восточного университета обнаружили новое квантовое явление в особом классе материалов, называемых антиферромагнитными изоляторами, которое может дать новые способы питания «спинтроники» и других технологических устройств будущего. Открытие проливает свет на то, «как тепло течет в магнитном изоляторе и как можно обнаружить этот тепловой поток», — говорит Грегори Фите, профессор физики Северо-Восточного университета и соавтор исследования.
Новые эффекты, опубликованные на этой неделе в журнале Nature Physics и продемонстрированные экспериментально, наблюдались при объединении феррита лантана (LaFeO 3 ) со слоем платины или вольфрама.
«Эта многоуровневая связь является причиной этого явления», — говорит Арун Бансил, заслуженный профессор кафедры физики Северо-Восточного университета, который также принимал участие в исследовании.
Открытие может иметь множество потенциальных применений, таких как улучшение тепловых датчиков, рециркуляция отработанного тепла и другие термоэлектрические технологии, говорит Бансил. Это явление может даже привести к разработке нового источника энергии для этих и других многообещающих технологий. В исследовании приняли участие аспирант Северо-Востока Мэтт Матцелле и Бернардо Барбьеллини, физик-вычислитель и теоретик из Технологического университета Лаппеенранты, который в настоящее время посещает Северо-Восток.
Чтобы проиллюстрировать результаты исследований, требуется значительное увеличение (в буквальном смысле), чтобы наблюдать за миром частиц атомного масштаба, в частности, за наножизнью электронов. Это также требует понимания нескольких свойств электронов — что они обладают чем-то, называемым «спин», имеют заряд и могут при движении через материал генерировать тепловой поток.
Спин электрона, или угловой момент, описывает фундаментальное свойство электронов, определяемое в одном из двух потенциальных состояний: вверх или вниз. Есть много разных способов, которыми эти спины электронов «вверх или вниз» (также называемые полюсами север-юг) ориентируются в пространстве, что, в свою очередь, порождает различные типы магнетизма. Все зависит, говорит Бэнсил, от того, как атомы структурированы в данном материале.
В магнитной системе обычно спины в этом материале выстраиваются в одном направлении. Такое расположение электронов в магнитных (или «ферромагнитных») кристаллах создает силу, которая притягивает или отталкивает другие кристаллы. Многие магнитные материалы также проводят электричество, когда электроны могут проходить через них. Эти материалы называются проводниками, так как они способны проводить электричество.
В дополнение к генерации электрического тока движение электронов через материал также несет тепловой поток. Когда внешнее электромагнитное поле воздействует на материалы, проводящие электричество, возникает тепловой ток.
«Тепло — это когда эти электроны двигаются быстрее или медленнее, поэтому в результате они могут нести больше или меньше тепловой энергии», — говорит Бансил.
Обычно спиновый ток течет в том же направлении, что и тепловой поток, говорит Бэнсил. Но в конкретных материалах, использованных в этом исследовании, «он течет перпендикулярно направлению теплового потока».
«Вот что здесь нового», — говорит Бэнсил.
Именно это «неожиданное» взаимодействие открывает дверь к новым взглядам на производство электроэнергии.
«Что мы хотим сделать, так это создать поток магнетизма, который генерирует электрическую энергию, и способ, которым вы это делаете, — это генерация напряжения», — говорит Фите.
Для этого исследователи объединили антиферромагнитный изолирующий материал (здесь LaFeO3) с другим более тяжелым элементом, таким как платина или вольфрам, которые являются проводниками. Связь немного сбивает электроны.
«Этот конкретный материал имеет спины, которые на ближайших соседних атомах почти идеально антиориентированы, — говорит Фиете, — что означает, что они немного наклонены немного поворота. И это небольшое смещение на самом деле очень важно, потому что оно является частью того, что приводит к интересным эффектам, которые мы видим в проекте».
Вот почему этот конкретный класс материалов получил свое название: наклонный антиферромагнетик.
Новый класс электронных устройств, так называемая «спинтроника», основан на манипулировании электронным спином с целью улучшения возможностей обработки информации в будущих технологиях. Другая родственная область, называемая спиновой калоритроникой, фокусируется на том, «как вы преобразуете тепловой поток в поток магнетизма или спиновой поток и, в конечном итоге, в напряжение», — говорит Фиете.
«Квантовая физика материалов представляет особый интерес, поскольку она напрямую связана со многими технологиями: технологиями квантовых вычислений, квантовым зондированием и квантовыми коммуникациями», — говорит Фиете. «И идея, которая действительно набирает обороты прямо сейчас, заключается в следующем: как мы перенесем исследования из университета, в которых участвует моя команда, в технологии, которые повлияют на то, как мы живем?»
