Warmteschakelaar op nanoschaal
De warmteschakelaar is een ontwerp van onderzoekers van de RUG, TU Delft, Tohoku University in Japan en Stichting FOM. Het onderzoek is deze week gepubliceerd in Nature Physics. De schakelaar werkt op basis van de spin van elektronen: een fundamentele eigenschap die het magnetisch moment van deeltjes veroorzaakt.
Temperatuur niet afhankelijk van ‘spin’
Natuurkundigen waren tot nu toe in de veronderstelling dat de temperatuur van een elektron onafhankelijk is van de richting van zijn spin. De onderzoekers toonden aan dat dit niet altijd zo is. Ze brachten een temperatuurverschil aan op het grensvlak tussen niet-magnetisch en een magnetisch metaal.
Afhankelijk van het teken van het temperatuurverschil bleken óf de elektronen met spin die parallel stond aan de magnetisatie, óf de elektronen met anti-parallelle spin een hogere temperatuur aan te nemen. De elektronen met tegengesteld spin kregen juist een lagere temperatuur. Het temperatuurverschil ontstaat doordat de warmtegeleiding in de magnetische laag voor de twee spinrichtingen verschilt.
Met deze kennis bouwden de onderzoekers een nanopilaar die bestaat uit twee magnetische lagen, met daartussen een niet-magnetische laag. In deze pilaar konden ze de magnetisatie van beide magnetische lagen apart schakelen om de warmtegeleiding te beïnvloeden. De pilaar is slechts 80 nanometer breed – 1000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar.
Nieuwe stap voor jong onderzoeksgebied
Wanneer de magnetisatie in de buitenste lagen van de pilaar dezelfde kant op staat, zullen elektronen met dezelfde spinrichting in beide lagen een hogere warmtegeleiding hebben, en dus een hogere temperatuur aannemen. Warmte kan daardoor gemakkelijk van de ene kant naar de andere kant van de pilaar worden getransporteerd. In dat geval is er sprake van een hoge warmtegeleiding.
Als de magnetisatie in de twee lagen tegenovergesteld is, hebben elektronen met een hoge warmtegeleiding in de ene magnetische laag, juist een tegenovergestelde spinrichting ten opzichte van de elektronen in de tweede magnetische laag. Hierdoor is het moeilijker om warmte door de pilaar te transporteren, waardoor de warmtegeleiding is onderdrukt. Op die manier is de hoeveelheid warmte die door de pilaar stroomt aan en uit te schakelen.
De resultaten zijn een volgende stap in de ‘spin-caloritronica’, een jong onderzoeksgebied dat de rol van het magnetisch moment van elektronen in warmtetransport bestudeert. Omdat de schakelaars zo onvoorstelbaar klein zijn, kunnen ze gebruikt worden om heel lokaal de warmtetoevoer of –afvoer te regelen. Dat kan goed van pas komen in chips die soms op gelokaliseerde hotspots veel te heet worden.
