Chirale Phononen erzeugen Spinstrom, ohne dass magnetische Materialien erforderlich sind

Forscher der North Carolina State University und der University of North Carolina at Chapel Hill nutzten chirale Phononen, um verschwendete Wärme in Spininformationen umzuwandeln – ohne magnetische Materialien zu benötigen. Die Entdeckung könnte zu neuen Klassen kostengünstigerer, energieeffizienter spintronischer Geräte für den Einsatz in Anwendungen führen, die vom Computerspeicher bis hin zu Stromnetzen reichen.

Spintronische Geräte sind elektronische Geräte, die den Spin eines Elektrons statt seiner Ladung nutzen, um Strom zu erzeugen, der für die Datenspeicherung, Kommunikation und Datenverarbeitung verwendet wird. Spinkaloritronische Geräte – so genannt, weil sie thermische Energie nutzen, um Spinstrom zu erzeugen – sind vielversprechend, weil sie Abwärme in Spininformationen umwandeln können, was sie äußerst energieeffizient macht. Aktuelle spinkaloritronische Geräte müssen jedoch magnetische Materialien enthalten, um den Spin des Elektrons zu erzeugen und zu steuern.

„Wir haben chirale Phononen verwendet, um bei Raumtemperatur einen Spinstrom zu erzeugen, ohne dass magnetische Materialien erforderlich waren“, sagt Dali Sun, außerordentlicher Professor für Physik und Mitglied des Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) an der North Carolina State University.

„Indem man einen thermischen Gradienten auf ein Material anwendet, das chirale Phononen enthält, kann man deren Drehimpuls lenken und einen Spinstrom erzeugen und steuern.“ sagt Jun Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der NC State und ORaCEL-Mitglied.

Sowohl Liu als auch Sun sind korrespondierende Autoren der Studie, die in Nature Materials erscheint.

Chirale Phononen sind Gruppen von Atomen, die sich bei Anregung durch eine Energiequelle – in diesem Fall Wärme – kreisförmig bewegen. Wenn sich die Phononen durch ein Material bewegen, breiten sie diese Kreisbewegung oder den Drehimpuls durch das Material aus. Der Drehimpuls dient als Quelle des Spins und die Chiralität bestimmt die Richtung des Spins.

„Chirale Materialien sind Materialien, deren Spiegelbild nicht überlagert werden kann“, sagt Sun. „Denken Sie an Ihre rechte und linke Hand – sie sind chiral. Man kann einen Handschuh für Linkshänder nicht über eine rechte Hand ziehen oder umgekehrt. Diese „Händigkeit“ ermöglicht es uns, die Drehrichtung zu steuern, was wichtig ist, wenn man diese Geräte zur Speicherspeicherung verwenden möchte.“

Die Forscher demonstrierten durch chirale Phononen erzeugte Spinströme in einem zweidimensionalen, geschichteten, hybriden organisch-anorganischen Perowskit, indem sie einen thermischen Gradienten nutzten, um Wärme in das System einzuführen.

„Ein Gradient ist erforderlich, weil der Temperaturunterschied im Material – von heiß zu kalt – die Bewegung der chiralen Phononen durch das Material antreibt“, sagt Liu. „Der thermische Gradient ermöglicht es uns auch, die eingefangene Abwärme zur Erzeugung von Spinstrom zu nutzen.“

Die Forscher hoffen, dass die Arbeit zu spintronischen Geräten führen wird, die kostengünstiger herzustellen sind und in einer größeren Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden können.

„Wenn man bei diesen Geräten auf Magnetismus verzichtet, bedeutet das, dass man die Tür weit öffnet, was den Zugang zu potenziellen Materialien angeht“, sagt Liu. „Und das bedeutet auch eine höhere Wirtschaftlichkeit.“

„Die Nutzung von Abwärme anstelle elektrischer Signale zur Erzeugung von Spinstrom macht das System energieeffizient – ​​und die Geräte können bei Raumtemperatur betrieben werden“, sagt Sun. „Dies könnte zu einer viel größeren Vielfalt an spintronischen Geräten führen, als uns derzeit zur Verfügung steht.“

Die Forschung wurde von der National Science Foundation und dem US-Energieministerium unterstützt. Wei You, Professor für Chemie an der University of North Carolina in Chapel Hill und Mitglied von ORaCEL, ist auch Mitautor der Studie.

-peake-

Hinweis für Redaktionen:Es folgt eine Zusammenfassung.

„Chiral-Phonon-aktivierter Spin-Seebeck-Effekt“

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

Autoren: Kyunghoon Kim, Eric Vetter, Cong Yang, Ziqi Wang, Rui Sun, Andrew Comstock, Dali Sun, Jun Liu, North Carolina State University; Liang Yan, Wei You, University of North Carolina at Chapel Hill; Yu Yang, Xiao Li , Jun Zhou, Lifa Zhang, Nanjing Normal University, Nanjing, ChinaVeröffentlicht: 13. Februar 2023 in Nature Materials

Abstrakt: Die Nutzung der Wechselwirkung zwischen Spin- und Wärmeströmen steht im Mittelpunkt des Fachgebietes Spinkaloritronik. Chirale Phononen, die einen Drehimpuls besitzen, der aus der gebrochenen Symmetrie eines nichtmagnetischen Materials resultiert, schaffen die Möglichkeit, bei Raumtemperatur als Reaktion auf einen thermischen Gradienten Spinströme zu erzeugen, sodass kein ferromagnetischer Kontakt erforderlich ist. Hier zeigen wir die Beobachtung von Spinströmen, die durch chirale Phononen in einem zweidimensionalen, geschichteten, hybriden organisch-anorganischen Perowskit erzeugt werden, dem chirale Kationen implantiert sind, wenn er einem Wärmegradienten ausgesetzt wird. Der erzeugte Spinstrom zeigt eine starke Abhängigkeit von der Chiralität des Films und externen Magnetfeldern, deren Koeffizient um Größenordnungen größer ist als der, der durch den berichteten Spin-Seebeck-Effekt erzeugt wird. Unsere Ergebnisse weisen auf das Potenzial chiraler Phononen für spinkaloritronische Anwendungen hin und bieten einen neuen Weg zur Spinerzeugung in Abwesenheit magnetischer Materialien.