Dagens energihungriga globala samhälle kämpar med hur man kan mildra effekterna av mänskliga klimatförändringar, och under vilka villkor för frivillig/tvångsanpassning. Den nuvarande fossilbränslefria tekniken verkar otillräcklig/otillräcklig för att möta denna skrämmande utmaning. Att ta itu med denna utmaning ur en teknisk synvinkel kommer därför sannolikt att kräva mognad av djärva nya fysiska koncept som kan snabbspåras tekniskt.

Ett internationellt forskarteam från CNRS, universitetet i Strasbourg och universitetet i Lorraine i Frankrike, tillsammans med Uppsala universitet i Sverige, har slumpmässigt upptäckt ett sådant koncept i den dåligt förstådda/dokumenterade skärningspunkten mellan två annars osammanhängande forskningsfält. Spintronics omfattar nästa generations, lågeffektelektronik som utnyttjar elektronens kvantspinnegenskap. Det handlar alltså mest om informationslagring/kommunikationsteknik. Kvantfysik/termodynamik syftar till att ompröva termodynamikens regler när materia är begränsad till nanoskala för att uppvisa kvantegenskaper, och därmed förstå hur kvantmotorer fungerar.

Teamets experiment och analyser visar att det är möjligt att montera en elektrisk generator som utnyttjar elektronspinnet för att skörda termiska fluktuationer vid rumstemperatur. Med hänvisning till motorns schema, skörden av omgivningstemperaturen sker över paramagnetiska (PM) centra — magneter på atomnivå vars orientering fluktuerar på grund av värme. Motorns elektroder, kallas spintronic väljare, tillåt elektroner med endast ett snurr (↑ i rött, eller ↓ i blått) för att utföra. Eftersom värme blandar elektronspinnet på PM-centret (mitten) med energetiskt separerade spinenerginivåer, transport (gula linjer) mellan PM-centrum och elektroderna sker vid olika energinivåer för varje elektrod. Detta gör att en spontan förspänning V uppstår mellan elektroderna, och således en spontan ström att flyta när den elektriska kretsen är sluten.

Teamet använde analytiska och ab-initio teorier för att etablera en koppling mellan detta spinnmotorkoncept och rumstemperaturexperiment på en solid-state spintronisk enhet som kallas en magnetisk tunnel junction (MTJ). Här, gränssnittet mellan den ferromagnetiska metallen Co och kolatomer användes som en spintronisk väljare, och kolatomer som ersätter syreatomer i MgO-tunnelbarriären som PM-centra.

Enligt experimenten, om sådana enheter kunde masstillverkas med hög framgångsutbyte, då för närvarande tätheter av MgO MTJs i nästa generations minnen, detta koncept skulle kunna ge chips som kontinuerligt producerar elektrisk kraft med en yteffekttäthet som är 3 gånger större än rå solstrålning på jorden. Utmaningen är nu att bekräfta vissa grundläggande aspekter av denna motors funktion, att uppnå enhetsreproducerbarhet genom att på atomnivå kontrollera positionen och egenskaperna för PM-centra i en lämplig solid state-enhet, att implementera CMOS back-end-integration (t.ex. tack vare befintliga framsteg med MgO MTJ-teknologier), att hantera tekniska frågor som värmeflöde och sammankopplingsförluster, och att drastiskt sänka det resulterande chipets areakostnad.

För att avvärja klimatkatastrofen inom den GIEC-bestämda 11-åriga tidsramen med hjälp av en teknisk lösning som den här kommer det krävas en massiv, fokuserat företag liknande det som användes i Manhattan-projektet, kombinera vetenskapsmän, Politiker och industriella partners som redan arbetar med MTJ-baserade spintroniska teknologier. Webbplatsen under uppbyggnad kommer att hjälpa till att kommunicera om detta åtagande. Som ett mått på hopp, det gick bara sju till nio år mellan upptäckten av spintronics 1986-1988 och de första kommersiella produkterna. Om lösningen på klimatkrisen är att involvera ny teknik, radikalt nya fysiska koncept som kan snabbspåras tekniskt bör, från och med nu, övervägas med den brådska och prioritering som insatserna för en klimatkatastrof visar.