Forscher der North Carolina State University und der University of North Carolina at Chapel Hill nutzten chirale Phononen, um Abwärme in Spininformationen umzuwandeln – ohne magnetische Materialien zu benötigen. Die Erkenntnis könnte zu neuen Klassen von weniger teuren, energieeffizienten spintronischen Geräten führen, die in Anwendungen eingesetzt werden können, die von Rechenspeichern bis hin zu Stromnetzen reichen.
Spintronische Geräte sind elektronische Geräte, die den Spin eines Elektrons anstelle seiner Ladung nutzen, um Strom zu erzeugen, der für Datenspeicherung, Kommunikation und Computer verwendet wird. Spin-kaloritronische Geräte – so genannt, weil sie thermische Energie nutzen, um Spinstrom zu erzeugen – sind vielversprechend, weil sie Abwärme in Spininformationen umwandeln können, was sie extrem energieeffizient macht. Aktuelle Spin-Kaloritronik-Vorrichtungen 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 magnetische Materialien zu benötigen“, 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 ihren Drehimpuls lenken und einen Spinstrom erzeugen und steuern.“ sagt Jun Liu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am NC State und ORaCEL-Mitglied.
Sowohl Liu als auch Sun sind Co-korrespondierende Autoren der Studie, die in erscheint Naturmaterialien.
Chirale Phononen sind Gruppen von Atomen, die sich kreisförmig bewegen, wenn sie von einer Energiequelle – in diesem Fall Wärme – angeregt werden. Wenn sich die Phononen durch ein Material bewegen, breiten sie diese Kreisbewegung oder diesen Drehimpuls durch es aus. Der Drehimpuls dient als Quelle des Spins, und die Chiralität bestimmt die Richtung des Spins.
„Chirale Materialien sind Materialien, die sich nicht mit ihrem Spiegelbild überlagern lassen“, sagt Sun. „Denken Sie an Ihre rechte und linke Hand – sie sind chiral. Sie können keinen Linkshänder-Handschuh auf eine rechte Hand ziehen oder umgekehrt. Diese ‚Händigkeit‘ ermöglicht es uns, die Drehrichtung zu kontrollieren, was wichtig ist wenn Sie diese Geräte als Speicher verwenden möchten.“
Die Forscher demonstrierten durch chirale Phononen erzeugte Spinströme in einem zweidimensional geschichteten hybriden organisch-anorganischen Perowskit, indem sie einen thermischen Gradienten verwendeten, um Wärme in das System einzubringen.
„Ein Gradient wird benötigt, weil Temperaturunterschiede im Material – von heiß nach kalt – die Bewegung der chiralen Phononen durch ihn hindurch antreiben“, sagt Liu. „Der thermische Gradient ermöglicht es uns auch, eingefangene Abwärme zur Erzeugung von Spinstrom zu nutzen.“
Die Forscher hoffen, dass die Arbeit zu Spintronikgeräten führen wird, die billiger herzustellen sind und in einer größeren Vielfalt von Anwendungen eingesetzt werden können.
„Durch die Eliminierung der Notwendigkeit von Magnetismus in diesen Geräten öffnen Sie die Tür in Bezug auf den Zugang zu potenziellen Materialien weit“, sagt Liu. „Und das bedeutet auch eine gesteigerte Wirtschaftlichkeit.“
„Die Verwendung von Abwärme anstelle von elektrischen Signalen 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 wir derzeit zur Verfügung haben.“
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 Co-Korrespondenzautor der Studie.