Spinvirta välittää käyttövoimaa

Ulokkeen sisältävä rakenne koostuu Y3Fe5O12:sta (YIG), joka on liitetty YIG-kalvon reunaan ja lämmittimeen. Lämmittimeen syötetty sähkövirta tuottaa lämpövirran, joka edelleen luo spinaallon (magnon) kertymisen YIG-kalvon pinnalle ja pohjalle. Kertymä injektoi spinvirtaa YIG-ulokkeeseen ja siitä edelleen mekaanista voimaa Spin-Seebeck vaikutuksen kautta.

Mekaaninen värähtely, joka syntyy elektronin spineistä, on uusi tapa tuottaa voimaa mikromekaniikan käyttöön.

Mikromekaaniset rakenne-elementit ovat välttämättömiä komponentteja monissa nykyaikaisissa sähkölaitteissa, mutta niiden käyttö edellyttää sähkövirtaa.

Näiden elementtien johdottaminen on yhä vaikeampaa, kun niiden rakenteita tehdään pienempiin mittoihin. Ongelman ratkaistakseen japanilaiset tutkijat osoittivat uuden tavan tuottaa voimaa ajamaan mikromekaniikkaa spinvirran avulla.

Spinvirta on elektronin kulmamomentin virtaus aineissa. Spinvirtaa on käytetty uutena informaation kantaja spintroniikan yhteydessä, kuten kiintolevyasemat (HDD) ja magneettinen Random-Access Memory (MRAM). Näissä sovelluksissa spinvirran injektointi voi ohjata mikromagneettien orientaatiota magneettisen vääntömomentin avulla.

Kun otetaan huomioon spinvirran kulmamomentin luonne, mitä tapahtuisi, kun spinvirta injektoidaan mekaaniseen esineeseen? Injektoitava ylenmääräinen kulmamomentti saattaa aiheuttaa siihen mekaanisen momentin. Tämä on ajatus.

Tässä tutkimuksessa tutkijat valmistivat mikroulokerakenteen magneettisesta eristeestä yttrium-rauta-granaatista (YIG:Y3Fe5O12). Metallinen ohut lanka laitettiin ulokkeen juurelle lämmittimeksi. Kun langassa kulkee sähkövirta, lanka toimii spinvirran generaattorina Spin Seebeck -vaikutuksen avulla ja spinvirta etenee mikroulokkeeseen.

Tutkijat mittasivat ulokkeen värähtelyä samalla, kun ne injektoivat spinvirtaa, joka oli moduloitu lähelle mikroulokkeen resonanssitaajuutta. Mittaus vahvisti, että spinvirran injektio sopivalla spinorientaatiolla voi herättää ulokkeeseen värinää.

"Tämä mikro-koneiden käyttömekanismi ei vaadi sähköjohtoa." ERATO Saitoh Spin Quantum Rectification projectin tutkija Kazuya Harii toteaa. "Tämä mekanismi soveltuu kaikkiin mekaanisiin esineisiin mikro- ja nanomittakaavassa."

Japanilainen ERATO Spin Quantum Rectification -tutkimusohjelma on erikoistunut spinin vähemmän tunnettuihin ominaisuuksiin.

Vuonna 2016 sen puitteissa toteutettiin Spin Peltier -vaikutuksen lämpökuvaus jossa todettiin ilmiön vaikuttavuus suuremmaksi kuin aiemmin oli oletettu.

Spinvirran tutkimus toi esiin myös Spin Seebeck -vaikutuksen, joka nyt esitellyllä tutkimuksella osoitettiin käytännölliseksi käyttövoiman siirtotavaksi

Spin Seebeck Effect osoittaa, että jopa termisesti aktivoitu satunnainen impulssi voi kiihdyttää spinin presessiota spinvirran generoimiseksi ja tuottaen siten sähköjännitettä.

Tämä on mahdollista, johtuen spinin eräästä luontaisesta ominaisuudesta: "ajan käänteissymmetrian rikkomisesta". Eli spin voi kiertää vain yhteen suuntaa ja tämän ominaisuuden vuoksi jopa satunnainen impulssi voi aktivoida yksisuuntaisen spin presession hyvin suunnitelluissa lämpöolosuhteissa.

Nyt tutkimusohjelmassa keskitytäänkin kehittämään mekanismeihin, joilla voi generoida käyttökelpoista energiaa eli toteuttaa spinperustaista energian keruuta.

Aiheesta aiemmin:

Spinaallot hyötykäyttöön

Spintroniikkaa teoretisoiden ja hyödyntäen