Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare vid Northeastern har upptäckt ett nytt kvantfenomen i en specifik klass av material, kallade antiferromagnetiska isolatorer, som kan ge nya sätt att driva "spintronic" och andra tekniska enheter i framtiden.
Upptäckten belyser "hur värme strömmar i en magnetisk isolator, [och] hur [forskare] kan upptäcka det värmeflödet", säger Gregory Fiete, fysikprofessor vid Northeastern och medförfattare till forskningen. De nya effekterna, publicerade i Nature Physics denna vecka och demonstrerade experimentellt, observerades genom att kombinera lantanferrit (LaFeO3 ) med ett lager av platina eller volfram.
"Den skiktade kopplingen är det som är ansvarigt för fenomenet", säger Arun Bansil, universitetsprofessor vid institutionen för fysik på Northeastern, som också deltog i studien.
Upptäckten kan ha många potentiella tillämpningar, som att förbättra värmesensorer, återvinning av spillvärme och andra termoelektriska teknologier, säger Bansil. Detta fenomen kan till och med leda till utveckling av en ny kraftkälla för dessa – och andra – spirande teknologier. Northeastern doktorand Matt Matzelle och Bernardo Barbiellini, en beräknings- och teoretisk fysiker vid Lappeenranta University of Technology, som för närvarande besöker Northeastern, deltog i forskningen.
Att illustrera teamens resultat kräver avsevärd förstoring (bokstavligen) för att observera världen av partiklar i atomär skala - specifikt vid elektronernas nano-liv. Det kräver också en förståelse för flera egenskaper hos elektroner - att de har något som kallas "spin", har en laddning och kan, när de rör sig genom ett material, generera värmeflöde.
Elektronspin, eller rörelsemängd, beskriver en grundläggande egenskap hos elektroner som definieras i ett av två potentiella tillstånd:Upp eller ner. Det finns många olika sätt som dessa "upp eller ner" spinn av elektronerna (även tänkta som nord-sydpoler) orienterar sig i rymden, vilket i sin tur ger upphov till olika typer av magnetism. Allt beror, säger Bansil, på hur atomer mönstras i ett givet material.
I ett magnetiskt system har snurrarna i det materialet vanligtvis riktat sig i samma riktning. Det där elektronarrangemanget i magnetiska (eller "ferromagnetiska") kristaller är det som producerar den kraften som attraherar eller stöter bort andra kristaller. Massor av magnetiska material leder också elektricitet när elektroner kan strömma genom dem. Dessa material kallas ledare, eftersom de kan leda elektricitet.
Förutom att generera en elektrisk ström, bär rörelsen av elektroner genom ett material också en värmeström. När ett externt elektromagnetiskt fält appliceras på material som leder elektricitet uppstår en värmeström.
"Värme är precis när dessa elektroner vickar runt snabbare eller långsammare, så som ett resultat kan de bära mer eller mindre termisk energi", säger Bansil.
Vanligtvis flyter spinnströmmen i samma riktning som värmeströmmen, säger Bansil. Men i de specifika materialen som används i denna studie "flyter det vinkelrätt mot värmeströmmens riktning."
"Det är det som är nytt här," säger Bansil.
Det är denna "oväntade" interaktion som öppnar dörren till nya sätt att tänka kring kraftproduktion.
"Vad vi vill göra är att skapa en ström av magnetism som genererar elektrisk kraft, och sättet du gör det är genom att generera en spänning", säger Fiete.
För att göra det kombinerade forskare det antiferromagnetiska isoleringsmaterialet (här LaFeO3) med ett annat tyngre element, som platina eller volfram, som är ledare. Kopplingen kastar elektronerna något ur spel.
"Det här speciella materialet har de spinn som är, på närmaste angränsande atomer, nästan perfekt anti-orienterade," säger Fiete, "vilket betyder att de är lite sneda. De är inte perfekt anti-orienterade - de är för det mesta, men det finns lite av en twist. Och den lilla förskjutningen är faktiskt väldigt viktig, eftersom det är en del av det som ger upphov till de intressanta effekterna som vi ser i projektet."
Det är det som ger denna speciella materialklass sitt namn:Canted antiferromagnet.
En framväxande klass av elektroniska enheter, så kallad "spintronics", förlitar sig på manipulation av elektronspin i syfte att förbättra informationsbehandlingskapaciteten i framtida teknologier. Ett annat relaterat fält, kallat spin caloritronics, fokuserar på "hur du omvandlar värmeflöde till magnetismflöde, eller spinnflöde, och i slutändan till en spänning", säger Fiete.
"Materialens kvantfysik är av särskilt intresse eftersom den är direkt kopplad till många tekniker:Tekniker inom kvantberäkning, kvantavkänning och kvantkommunikation", säger Fiete. "Och idén som verkligen vinner genomslag ... just nu är:Hur överför vi forskning från universitetet, som det som mitt team är involverat i, till tekniker som kommer att påverka hur vi lever våra liv?" + Utforska vidare
