(Phys.org) —Forskare från FOM Foundation, universitetet i Groningen, Delft University of Technology och Tohoku University i Japan har designat ett mycket litet kylelement som använder spinnvågor för att transportera värme i elektriska isolatorer. Kylelementet skulle kunna användas för att avleda värme i de allt mindre elektriska komponenterna i datorchips. Forskarna publicerade sin design online den 7 juli 2014 i Fysiska granskningsbrev .

Kylelementets funktion är baserad på elektronernas spinn. Spinn är en grundläggande egenskap hos en elektron som motsvarar dess magnetiska moment (styrkan och riktningen av dess magnetiska fält). Även om fysiker har använt spinn för kylningsändamål tidigare, det är första gången som de framgångsrikt har gjort detta i isoleringsmaterial.

Värmetransport genom en nanopelare

I tidigare forskning, forskarna lät en ström av elektroner flöda genom magnetiska metaller. I ett magnetfält, dessa elektroners spinn kommer att riktas i samma riktning, nämligen parallellt med magnetiseringen. Forskarna skickade elektronerna genom en pelare som bestod av två magnetiska lager (med ett icke-magnetiskt lager emellan). Pelaren som användes var mycket liten – ungefär tusen gånger mindre än tjockleken på ett människohår.

En elektron som börjar i det undre lagret anpassar sin spinn till magnetiseringsriktningen i det lagret. Därefter flödar elektronen till det översta lagret. Om magnetiseringsriktningen där är densamma som i bottenskiktet är spinnet fortfarande orienterat parallellt med magnetiseringen. Elektroner med parallell spinnriktning transporterar mer värme än elektroner med motsatt spinnriktning. Så i det här fallet, elektronerna ser till att mycket värme transporteras genom hela pelaren. Om elektronerna, dock, stöter på en magnetisering i motsatt riktning i det översta lagret, värmetransporten undertrycks. Med hjälp av denna kunskap orsakade forskarna framgångsrikt en mätbar temperaturskillnad mellan de två sidorna av pelaren.

Snurra vågor

Denna metod fungerar inte i en elektrisk isolator – ett material som inte lätt leder elektroner. Ändå, forskarna har nu hittat en kylmetod som fungerar även i isoleringsmaterial. I den nya forskningen visade de att spinnen på gränsen mellan en icke-magnetisk metall och en magnetisk isolator orsakar så kallade spinnvågor som transporterar värme till eller från materialet.

Forskarna använde en 200 nanometer tjock isolator av yttrium-järngranat (ett mineral) med ett 20 x 200 mikrometer lager platina ovanpå. Elektroner kan lätt strömma genom den ledande platinan men när de når den isolerande granaten kan de inte gå längre. Ändå, elektronernas spinn överförs:elektronens magnetiska moment påverkar magnetmomentet (och därmed spinnet) hos elektronerna i isolatorn som befinner sig vid gränsen mellan de två materialen. Genom magnetisk koppling överförs denna spinnförändring till elektroner som är belägna längre bort från gränsen. På detta sätt verkar en våg av spinnförändringar fortsätta genom materialet. Spinnvågen överför också värme till eller från gränsen. Beroende på riktningen av både spinnet och magnetiseringen i mineralet, gränsen kommer därför att svalna eller värmas upp.

Termometrar

Forskarna placerade små, mycket känsliga termometrar bara några mikrometer bort från gränsen och använde dessa för att detektera temperaturskillnaderna medan elektroner strömmade genom platinaremsan. Fysikerna jämförde därefter sina mätningar med den ovan nämnda teorin. Temperaturskillnaderna, bara 0,25 millicelsius i storlek, verkar bekräfta teorin.

Denna forskning finansierades gemensamt av FOM Foundation, NanoLab NL, JSPS, Deutsche Forschungsgemeinschaft, EU-FET Grant InSpin 612759 och Zernike Institute for Advanced Materials.