Onderzoekers van Northeastern hebben een nieuw kwantumfenomeen ontdekt in een specifieke klasse van materialen, antiferromagnetische isolatoren genaamd, die nieuwe manieren zouden kunnen opleveren om "spintronic" en andere technologische apparaten van de toekomst van stroom te voorzien.

De ontdekking belicht "hoe warmte in een magnetische isolator stroomt, [en] hoe [onderzoekers] die warmtestroom kunnen detecteren", zegt Gregory Fiete, hoogleraar natuurkunde aan Northeastern en co-auteur van het onderzoek. De nieuwe effecten, gepubliceerd in Nature Physics deze week en experimenteel gedemonstreerd, werden waargenomen door het combineren van lanthaanferriet (LaFeO₃ ) met een laag platina of wolfraam.

"Die gelaagde koppeling is wat verantwoordelijk is voor het fenomeen", zegt Arun Bansil, universiteitsprofessor in het departement Natuurkunde in Northeastern, die ook deelnam aan het onderzoek.

De ontdekking kan tal van potentiële toepassingen hebben, zoals het verbeteren van warmtesensoren, recycling van restwarmte en andere thermo-elektrische technologieën, zegt Bansil. Dit fenomeen zou zelfs kunnen leiden tot de ontwikkeling van een nieuwe energiebron voor deze - en andere - ontluikende technologieën. Northeastern afgestudeerde student Matt Matzelle en Bernardo Barbiellini, een computationeel en theoretisch fysicus aan de Lappeenranta University of Technology, die momenteel Northeastern bezoekt, namen deel aan het onderzoek.

Het illustreren van de bevindingen van de teams vereist een aanzienlijke vergroting (letterlijk) om de wereld van deeltjes op atomaire schaal te observeren, met name bij de nano-levens van elektronen. Het vereist ook begrip van verschillende eigenschappen van elektronen - dat ze iets hebben dat 'spin' wordt genoemd, een lading heeft en, wanneer ze door een materiaal bewegen, warmtestroom kunnen genereren.

Elektronenspin, of impulsmoment, beschrijft een fundamentele eigenschap van elektronen die wordt gedefinieerd in een van de twee mogelijke toestanden:omhoog of omlaag. Er zijn veel verschillende manieren waarop deze "omhoog of omlaag"-spins van de elektronen (ook wel noord-zuidpolen genoemd) zich in de ruimte oriënteren, wat op zijn beurt aanleiding geeft tot verschillende soorten magnetisme. Het hangt allemaal af, zegt Bansil, van de manier waarop atomen in een bepaald materiaal worden gevormd.

In een magnetisch systeem zijn de spins in dat materiaal meestal in dezelfde richting uitgelijnd. Die elektronenrangschikking in magnetische (of "ferromagnetische") kristallen is wat die kracht produceert die andere kristallen aantrekt of afstoot. Veel magnetische materialen geleiden ook elektriciteit wanneer elektronen er doorheen kunnen stromen. Die materialen worden geleiders genoemd, omdat ze elektriciteit kunnen geleiden.

Naast het opwekken van een elektrische stroom, brengt de beweging van elektronen door een materiaal ook een warmtestroom met zich mee. Wanneer een extern elektromagnetisch veld wordt aangelegd op materialen die elektriciteit geleiden, ontstaat er een warmtestroom.

"Warmte is precies wanneer deze elektronen sneller of langzamer heen en weer bewegen, waardoor ze meer of minder thermische energie kunnen vervoeren", zegt Bansil.

Meestal vloeit de spinstroom in dezelfde richting als de warmtestroom, zegt Bansil. Maar in de specifieke materialen die in deze studie zijn gebruikt, "vloeit het loodrecht op de richting van de warmtestroom."

"Dat is nieuw hier", zegt Bansil.

Het is deze "onverwachte" interactie die de deur opent naar nieuwe manieren van denken over energieopwekking.

"Wat we willen doen, is een magnetische stroom creëren die elektrische stroom genereert, en de manier waarop je dat doet is door een spanning op te wekken", zegt Fiete.

Om dat te doen, combineerden onderzoekers het antiferromagnetische isolatiemateriaal (hier LaFeO3) met een ander zwaarder element, zoals platina of wolfraam, die geleiders zijn. De koppeling gooit de elektronen enigszins uit de bocht.

"Dit specifieke materiaal heeft de spins die, op de dichtstbijzijnde naburige atomen, bijna perfect anti-georiënteerd zijn," zegt Fiete, "wat betekent dat ze een beetje gekanteld zijn. Ze zijn niet perfect anti-georiënteerd - ze zijn meestal, maar er is een beetje een twist. En die kleine offset is eigenlijk heel belangrijk, omdat het deel uitmaakt van wat aanleiding geeft tot de interessante effecten die we in het project zien."

Dat is wat deze specifieke materiaalklasse zijn naam geeft:gekantelde antiferromagneet.

Een opkomende klasse van elektronische apparaten, de zogenaamde "spintronica", vertrouwt op de manipulatie van elektronenspin met als doel de informatieverwerkingscapaciteiten in toekomstige technologieën te verbeteren. Een ander gerelateerd veld, spin-caloritronica genaamd, richt zich op "hoe je warmtestroom omzet in de stroom van magnetisme, of spinstroom, en uiteindelijk in een spanning", zegt Fiete.

"De kwantumfysica van materialen is van bijzonder belang omdat het rechtstreeks verband houdt met veel technologieën:technologieën in kwantumcomputing, kwantumdetectie en kwantumcommunicatie", zegt Fiete. "En het idee dat echt aan kracht wint … op dit moment is:hoe zetten we onderzoek van de universiteit, zoals het soort waar mijn team bij betrokken is, over in technologieën die van invloed zijn op de manier waarop we ons leven leiden?" + Verder verkennen

'Ontdekking van de heilige graal' in de vastestoffysica zou nieuwe technologieën kunnen inluiden