(Phys.org) —Onderzoekers van de Stichting FOM, de Rijksuniversiteit Groningen, De Technische Universiteit Delft en Tohoku University in Japan hebben een minuscuul koelelement ontworpen dat met behulp van spingolven warmte transporteert in elektrische isolatoren. Het koelelement zou kunnen worden gebruikt om warmte af te voeren in de steeds kleinere elektrische componenten van computerchips. De onderzoekers publiceerden hun ontwerp op 7 juli 2014 online in Fysieke beoordelingsbrieven .

De werking van het koelelement is gebaseerd op de spin van de elektronen. Spin is een fundamentele eigenschap van een elektron die overeenkomt met zijn magnetisch moment (de sterkte en richting van zijn magnetische veld). Hoewel natuurkundigen eerder spin gebruikten voor koeling, dit is de eerste keer dat ze dit met succes hebben gedaan in isolatiematerialen.

Warmtetransport door een nanopijler

In eerder onderzoek is de wetenschappers lieten een stroom van elektronen door magnetische metalen stromen. In een magnetisch veld, de spins van deze elektronen zullen in dezelfde richting uitlijnen, namelijk parallel aan de magnetisatie. De onderzoekers stuurden de elektronen door een pilaar die bestond uit twee magnetische lagen (met daartussen een niet-magnetische laag). De gebruikte pilaar was minuscuul - ongeveer duizend keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar.

Een elektron dat in de onderste laag begint, richt zijn spin op de magnetisatierichting in die laag. Vervolgens stroomt het elektron naar de bovenste laag. Als de magnetisatierichting daar dezelfde is als in de onderste laag dan is de spin nog steeds evenwijdig aan de magnetisatie georiënteerd. Elektronen met een parallelle spinrichting transporteren meer warmte dan elektronen met een tegengestelde spinrichting. Dus in dit geval de elektronen zorgen ervoor dat er veel warmte door de hele pilaar wordt getransporteerd. Als de elektronen, echter, een magnetisatie in de tegenovergestelde richting in de toplaag tegenkomen, het warmtetransport wordt onderdrukt. Met behulp van deze kennis veroorzaakten de onderzoekers met succes een meetbaar temperatuurverschil tussen de twee zijden van de pilaar.

Spin golven

Deze methode werkt niet in een elektrische isolator - een materiaal dat niet gemakkelijk elektronen geleidt. Hoe dan ook, de onderzoekers hebben nu een koelmethode gevonden die ook werkt in isolatiematerialen. In het nieuwe onderzoek toonden ze aan dat de spins op de grens tussen een niet-magnetisch metaal en een magnetische isolator zogenaamde spingolven veroorzaken die warmte van of naar het materiaal transporteren.

De onderzoekers gebruikten een 200 nanometer dikke isolator van yttrium-ijzer-granaat (een mineraal) met daarop een platinalaag van 20 bij 200 micrometer. Elektronen kunnen gemakkelijk door het geleidende platina stromen, maar wanneer ze de isolerende granaat bereiken, kunnen ze niet verder. Hoe dan ook, de spin van de elektronen wordt overgedragen:het magnetische moment van het elektron beïnvloedt het magnetische moment (en dus de spin) van de elektronen in de isolator die zich op de grens tussen de twee materialen bevinden. Door magnetische koppeling wordt deze spinverandering vervolgens overgedragen aan elektronen die verder van de grens liggen. Op deze manier lijkt er een golf van spinveranderingen door het materiaal te gaan. De spingolf draagt ​​ook warmte over van of naar de grens. Afhankelijk van de richting van zowel de spin als de magnetisatie in het mineraal, de grens zal dus afkoelen of opwarmen.

Thermometers

De onderzoekers plaatsten kleine, zeer gevoelige thermometers op slechts enkele micrometers van de grens en gebruikten deze om de temperatuurverschillen te detecteren terwijl elektronen door de platinastrook stroomden. De natuurkundigen vergeleken hun metingen vervolgens met de bovengenoemde theorie. De temperatuurverschillen, slechts 0,25 millicelsius groot, lijken de theorie te bevestigen.

Dit onderzoek is mede gefinancierd door de Stichting FOM, NanoLab NL, JSPS, de Deutsche Forschungsgemeinschaft, EU-FET Grant InSpin 612759 en het Zernike Institute for Advanced Materials.