Хиральные фононы создают спиновый ток без использования магнитных материалов

Исследователи из Университета штата Северная Каролина и Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл использовали киральные фононы для преобразования потраченного тепла в спиновую информацию – без необходимости использовать магнитные материалы. Это открытие может привести к созданию новых классов менее дорогих и энергоэффективных устройств спинтроники для использования в различных приложениях, от вычислительной памяти до энергетических сетей.

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, названные так потому, что они используют тепловую энергию для создания спинового тока, являются многообещающими, поскольку они могут преобразовывать отходящее тепло в спиновую информацию, что делает их чрезвычайно энергоэффективными. Однако современные спиновые калоритронные устройства должны содержать магнитные материалы, чтобы создавать и контролировать вращение электрона.

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

«Применяя тепловой градиент к материалу, содержащему киральные фононы, вы можете направлять их угловой момент, а также создавать и контролировать спиновый ток». — говорит Цзюнь Лю, доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Северная Каролина и член ORaCEL.

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

Хиральные фононы — это группы атомов, которые движутся по кругу при возбуждении источником энергии — в данном случае тепла. Когда фононы движутся сквозь материал, они распространяют через него круговое движение или угловой момент. Угловой момент служит источником спина, а хиральность определяет направление спина.

«Хиральные материалы — это материалы, которые нельзя наложить на свое зеркальное отражение», — говорит Сан. «Подумайте о своих правой и левой руках – они хиральны. Нельзя надеть перчатку для левой руки на правую руку и наоборот. Именно эта «рукоспособность» позволяет нам контролировать направление вращения, что важно, если вы хотите использовать эти устройства для хранения памяти».

Исследователи продемонстрировали спиновые токи, генерируемые киральными 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 — приводит к движению киральных фононов через него», — говорит Лю. «Термический градиент также позволяет нам использовать уловленное отходящее тепло для генерации спинового тока».

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

«Устранение необходимости использования магнетизма 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 вместо электрических сигналов для генерации спинового тока делает систему энергоэффективной — и устройства могут работать при комнатной температуре», — говорит Сан. «Это может привести к появлению гораздо более широкого разнообразия устройств спинтроники, чем мы имеем в настоящее время».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Министерством энергетики США. Вей Ю, профессор химии Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и член ORaCEL, также является соавтором исследования.

-пик-

Примечание для редакции:Далее следует аннотация.

«Хирально-фононно-активируемый спиновый эффект Зеебека»

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

Авторы: Кёнхун Ким, Эрик Веттер, Конг Ян, Цзыци Ван, Руй Сан, Эндрю Комсток, Дали Сан, Цзюнь Лю, Государственный университет Северной Каролины; Лян Янь, Вэй Ю, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл; Юй Ян, Сяо Ли , Цзюнь Чжоу, Лифа Чжан, Нанкинский педагогический университет, Нанкин, КитайОпубликовано: 13 февраля 2023 г. в журнале Nature Materials.