Spinaallot hyötykäyttöön

Sähköinen piiri magneettisessa eristeessä

Eurooppalaisista yliopistoista koostuneiden tutkijoiden ryhmä on havainnut, että on mahdollista toteuttaa sähköinen piiri magneettisessa eristeessä. Tämän on alun perin katsottu olevan mahdotonta.

Piiri on toteutettu hyödyntämällä spinaaltoja. Spin on elektronin magneettinen omaisuus ja etenevä spinaalto johtuu paikallisista magnetointisuunnan häiriöistä magneettisessa materiaalissa.

Löytö on mielenkiintoinen kehitettäessä uusia, energiatehokkaita elektronisia laitteita. Laiterakennetta, joka perustuu spinaaltoihin, voitaisiin käyttää tehokkaammin kuin tavallisia elektronisia piirejä signaalien siirtoon.

Groningenin ja Utrechtin yliopiston tutkijoista koostunut tiimi onnistui hyödyntämään spinaaltoja, jotka ovat jo läsnä materiaalissa ja johtuvat termisistä vaihteluista. Täten temppu vaati aiempia yrityksiä pienempiä toteutushäiriöitä ja siten mahdollisti spinaaltoja, joita voidaan käyttää virtapiirissä.

Tutkijoiden kokoama spinaaltopiiri koostuu nanoluokan yttrium-rauta-granaatti (YIG) yhdisteestä ja platina kaistaleesta sen molemmin puolin. Elektroni voi virrata platinassa, mutta ei YIG:ssä, koska se on eriste.

Kun elektroni törmää YIG:n ja platinan välisessä rajapinnassa, tämä vaikuttaa YIG:n magnetointiin ja sitä kautta elektronin spinin ja paikallisen magnetoinnin suuntautumiseen ja spinaallon generoitumisen YIG:ssä.

Kehitetty spinaalto havaittiin vastapuolen platinakaistaleessa täsmälleen päinvastaisella prosessilla kuin spinaallon injektio. Vastapuolella syntyy elektronien liikettä, mikä tuottaa sähkövirtaa, jota tutkijat saattoivat mitata.

Platinan ja YIG:n yhdistelmää on hyödynnetty jo monissa aiemmissa tutkimuksessa. Esimerkiksi Argonne National Laboratoryssä vastaavia ilmiöitä tutkittiin lämpötilagradientteihin liittyen ja havaittiin paramagneettinen spin Seebeck –ilmiö.

Nyt myös eurotutkijat havaitsivat, että kun spin siirretään platinasta YIG:en, tämä merkitsee lämmönsiirtoa rajapinnan poikki. Tämä mahdollistaa lämmittää tai jäähdyttää platina-YIG rajapintaa, riippuen elektronin spinin suhteellisesta orientaatiosta platinassa ja magnetoinnista YIG:ssä.

Myös Groningenin yliopiston Bart van Weesin johtama tutkimus tutki tätä niin sanottua Magnonin ilmiötä. Tässä siirtomuodossa vain spin liikkuu mutta elektronit eivät. Tämä tarkoittaa, että lämpöä ei kehity ja siirto vaatii hyvin vähän energiaa.

Nämä tulokset voisivat siten auttaa tuottamaan sähköä tehokkaammin lämpötilaeroista. Nykyiset lämpösähköiset materiaalit ovat sähköisiä johteita, jotka johtavat siten myös lämpöä, eli osa lämpötilaerosta menetetään.

Muutenkin spinin siirto isolaattoreissa tarkoittaa uusia mahdollisuuksia. Spinaallon liikkuessa eristeessä sitä voi muokata esimerkiksi magneettikentillä.

Spinaaltojen avulla esimerkiksi magneettisen bitin vaihdon voisi tehdä pienemmällä pinta-alalla ja energiankulutuksella kuin sähkömagneettisella tekniikalla. Lisäksi havaittiin, että mitä pidempi aalto, sitä herkempi se on muutoksille ja tätä ilmiötä voisi käyttää esimerkiksi magnetismia tunnistavana anturina.

Aiheesta aiemmin:

Tehokkaampaa hukkalämmön keruuta