Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Stichting FOM zijn erin geslaagd om een koelelement te ontwikkelen op nanoschaal, die ze magnetisch aan en uit kunnen schakelen. De werking van de elementen is namelijk gebaseerd op het magnetisch moment van de elektronen (de spin). Deze gemakkelijk controleerbare nanokoelinstallaties kunnen een oplossing bieden voor het groeiende probleem van warmteproductie in steeds kleinere elektrische componenten. De onderzoekers hebben publiceren hun resultaten 5 februari online gepubliceerd in Nature Nanotechnology.
Elk elektron heeft een magnetisch moment, ofwel ‘spin’. Wanneer een elektrische stroom door een magnetische laag wordt gestuurd, richten de spins van de elektronen in die stroom zich allemaal dezelfde kant op (parallel aan de magnetisatie). Daardoor ontstaat er naast de ladingstroom ook een spinstroom.
De onderzoekers laten zien dat het mogelijk is om met een dergelijke spinstroom de temperatuur op een grensvlak tussen een niet-magnetisch metaal en een magnetisch metaal te beïnvloeden. Door de magnetisatie (spinrichting) in een van de magnetische lagen om te klappen kan het koelen van het grensvlak aan- en uitgezet worden. Het effect is daarmee programmeerbaar.
Nanothermometer
In het experiment maken de onderzoekers gebruik van een nanopilaar van twee magnetische lagen met daar tussen een niet-magnetische laag. Wanneer ze een stroom door deze pilaar sturen ontstaan er spinstromen van de ene magnetische laag, door de niet-magnetische laag, naar de andere magnetische laag.
In de magnetische lagen transporteren elektronen met de ene spinrichting meer warmte dan die met de andere spinrichting, waardoor er een temperatuurverschil ontstaat. Dit hebben de onderzoekers gemeten met behulp van een speciaal ontworpen thermometer op nanoschaal, die ze dicht bij de pilaar plaatsten.
Spin-caloritronica
De nu gepubliceerde resultaten staan aan de wieg van de ‘spin-caloritronica’, een nieuw onderzoeksgebied binnen de spin-elektronica, dat de rol van het magnetisch moment van elektronen in warmtetransport bestudeert.
De groene bollen representeren de elektronen en de pijlen in die bollen hun magnetische moment, de ‘spin’. Door de spinstroom ontstaat een warmtestroom die magnetisch controleerbaar is en kan worden gebruikt voor het koelen van nano-elementen (afbeelding: FOM)
Dit onderzoek is mede gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie, EU FP7 ICT Grant No. 251759 MACALO, NanoLabs and the Zernike Institute for Advanced Materials.
