Il campione utilizzato per la misurazione. Nel mezzo, da cima a fondo, è la striscia di platino. Gli elettroni si muovono attraverso questa striscia e producono una corrente di spin nella direzione dell'isolante sottostante. Gli spin degli elettroni che raggiungono il confine assicurano che gli spin nell'isolante vengano eccitati. Due termometri a forma di zigzag in platino e costantana misurano la differenza di temperatura vicino al confine. Credito:ricerca fondamentale sulla materia (FOM)
(Phys.org) — Ricercatori della Fondazione FOM, l'Università di Groninga, La Delft University of Technology e la Tohoku University in Giappone hanno progettato un minuscolo elemento di raffreddamento che utilizza le onde di spin per trasportare il calore negli isolanti elettrici. L'elemento di raffreddamento potrebbe essere utilizzato per dissipare il calore nei componenti elettrici sempre più piccoli dei chip dei computer. I ricercatori hanno pubblicato il loro progetto online il 7 luglio 2014 in Lettere di revisione fisica .
Il funzionamento dell'elemento di raffreddamento si basa sullo spin degli elettroni. Lo spin è una proprietà fondamentale di un elettrone che corrisponde al suo momento magnetico (la forza e la direzione del suo campo magnetico). Sebbene i fisici abbiano già utilizzato la rotazione per scopi di raffreddamento, questa è la prima volta che lo fanno con successo nei materiali isolanti.
Trasporto di calore attraverso un nanopilastro
In precedenti ricerche, gli scienziati lasciano che una corrente di elettroni fluisca attraverso i metalli magnetici. In un campo magnetico, gli spin di questi elettroni si allineeranno nella stessa direzione, cioè parallela alla magnetizzazione. I ricercatori hanno inviato gli elettroni attraverso un pilastro costituito da due strati magnetici (con uno strato non magnetico in mezzo). Il pilastro utilizzato era minuscolo, circa mille volte più piccolo dello spessore di un capello umano.
Un elettrone che parte dallo strato inferiore allinea il suo spin alla direzione di magnetizzazione in quello strato. Successivamente l'elettrone scorre verso lo strato superiore. Se la direzione della magnetizzazione è la stessa dello strato inferiore, lo spin è ancora orientato parallelamente alla magnetizzazione. Gli elettroni con una direzione di spin parallela trasportano più calore degli elettroni con una direzione di spin opposta. Quindi in questo caso, gli elettroni assicurano che molto calore venga trasportato attraverso l'intero pilastro. Se gli elettroni, però, incontrare una magnetizzazione nella direzione opposta nello strato superiore, il trasporto di calore è soppresso. Utilizzando questa conoscenza, i ricercatori sono riusciti a determinare una differenza di temperatura misurabile tra i due lati del pilastro.
Onde di rotazione
Questo metodo non funziona in un isolante elettrico, un materiale che non conduce facilmente gli elettroni. Tuttavia, i ricercatori hanno ora trovato un metodo di raffreddamento che funziona anche nei materiali isolanti. Nella nuova ricerca hanno dimostrato che gli spin sul confine tra un metallo non magnetico e un isolante magnetico causano le cosiddette onde di spin che trasportano calore da o verso il materiale.
I ricercatori hanno utilizzato un isolante spesso 200 nanometri di granato di ittrio-ferro (un minerale) con uno strato di platino di 20 x 200 micrometri sopra. Gli elettroni possono facilmente fluire attraverso il platino conduttore ma quando raggiungono il granato isolante non possono andare oltre. Tuttavia, lo spin degli elettroni viene trasferito:il momento magnetico dell'elettrone influenza il momento magnetico (e quindi lo spin) degli elettroni nell'isolante che si trovano al confine tra i due materiali. Attraverso l'accoppiamento magnetico questo cambiamento di spin viene successivamente trasferito agli elettroni che si trovano più lontano dal confine. In questo modo un'ondata di cambiamenti di spin sembra procedere attraverso il materiale. L'onda di spin trasferisce anche calore da o verso il confine. A seconda della direzione sia dello spin che della magnetizzazione nel minerale, il confine quindi si raffredderà o si riscalderà.
Termometri
I ricercatori hanno posizionato piccoli, termometri altamente sensibili a pochi micrometri di distanza dal confine e li usavano per rilevare le differenze di temperatura mentre gli elettroni scorrevano attraverso la striscia di platino. I fisici hanno successivamente confrontato le loro misurazioni con la suddetta teoria. Le differenze di temperatura, solo 0,25 millicelsius di dimensioni, sembrano confermare la teoria.
Questa ricerca è stata finanziata congiuntamente dalla Fondazione FOM, NanoLab NL, JSPS, la Deutsche Forschungsgemeinschaft, Sovvenzione EU-FET InSpin 612759 e Zernike Institute for Advanced Materials.
