Νέο φαινόμενο της σπιντρονικής θα μπορούσε να οδηγήσει σε μαγνητικές μπαταρίες

Πηγή: PhysOrg, 10 Οκτωβρίου 2008

Φυσικοί πρόσφατα ανακάλυψαν ότι η θέρμανση της ίδιας πλευράς μιας μαγνητισμένης ράβδου νικελίου-σιδήρου, κάνει τα ηλεκτρόνια να αναδιοργανωθούν ανάλογα με το σπιν τους. Αυτό το φαινόμενο που λέγεται "spin Seebeck" θα μπορούσε να οδηγήσει σε μπαταρίες, που θα δημιουργούν μαγνητικά ρεύματα, αντί για ηλεκτρικά ρεύματα. Μια πηγή μαγνητικών ρευμάτων θα μπορούσε να αποβεί ιδιαίτερα χρήσιμη για την ανάπτυξη συσκευών της σπιντρονικής, που χρησιμοποιούν μαγνητικά ρεύματα, προκειμένου να μειωθεί η υπερθέρμανση σε τσιπ των υπολογιστών, αφού, σε αντίθεση με τα ηλεκτρικά ρεύματα, τα μαγνητικά ρεύματα δεν παράγουν θερμότητα.

Ο φυσικός Eiji Saitoh από το Πανεπιστήμιο της Γιοκοχάμα, μαζί με συναδέλφους του από άλλα ιαπωνικά ιδρύματα έχουν δημοσιεύσει αυτά τα αποτελέσματα στο περιοδικό Nature.

Εικόνα A) Η θέρμανση της μιας πλευράς μιας αγώγιμης ράβδου γίνεται αίτια τα ηλεκτρόνια να μεταβαίνουν στο άλλο άκρο, δημιουργώντας έτσι μια τάση. (B) Η θέρμανση της ίδιας πλευράς μιας μαγνητισμένης ράβδου νικελίου-σιδήρου δημιουργεί μια "τάση σπιν" (spin voltage), με τα ηλεκτρόνια στα άκρα της ράβδου να έχουν αντίθετα σπιν (πάνω και κάτω

Όπως  οι φυσικοί εξηγούν, το φαινόμενο "spin Seebeck" προέρχεται από το αρχικό φαινόμενο Seebeck, ένα θερμοηλεκτρικό φαινόμενο που ανακαλύφθηκε από τον Thomas Johann Seebeck το 1800. Στο φαινόμενο Seebeck, η θέρμανση της μιας πλευράς μιας αγώγιμης ράβδου αναγκάζει τα ηλεκτρόνια σε αυτή την πλευρά να θερμανθούν και να κινηθούν προς την πιο ψυχρή πλευρά, κι έτσι να αναπτυχθεί μια τάση.

Το φαινόμενο spin Seebeck είναι παρόμοιο, αλλά επηρεάζει το σπιν των ηλεκτρονίων, που στην κβαντική φυσική είναι αντίστοιχο της μαγνητικής ευθυγράμμισης βορρά-νότου. Κατά τη θέρμανση ενός μαγνητισμένου μετάλλου, όπως είναι η ράβδος νικελίου-σιδήρου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι τα ηλεκτρόνια με πάνω σπιν (ευθυγραμμισμένα με το μαγνητικό πεδίο της ράβδου) συγκεντρώνονται στην πιο θερμή πλευρά, ενώ τα ηλεκτρόνια με κάτω σπιν (αντίθετης διεύθυνσης) προτίμησαν την πιο ψυχρή πλευρά .

Ουσιαστικά, αυτή η ράβδος με τα ξεχωριστά σπιν τώρα έχει δύο ηλεκτρόδια και χρησιμεύει ως βάση για ένα νέο είδος μπαταρίας που παράγει "τάση σπιν," ή μαγνητικά ρεύματα, τα οποία έχουν δυσκολία να παραχθούν. Με αυτό το εργαλείο, οι φυσικοί μπορούν να εργαστούν για την ανάπτυξη περισσότερων ειδών σπιντρονικών συσκευών που αποθηκεύουν πληροφορίες με μαγνητικό τρόπο.

Η μαγνητική αποθήκευση των πληροφοριών είναι εγγενώς πιο αποτελεσματική από την αποθήκευση πληροφοριών με ηλεκτρονικά μέσα, επειδή δεν υπάρχει άχρηστη θερμότητα. Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια που συνεχώς συγκρούονται μεταξύ τους, η αλλαγή των σπιν των ηλεκτρονίων δεν δημιουργεί θερμότητα. Η μείωση των απωλειών λόγω θερμότητας μπορεί να οδηγήσει σε πολύ μικρά τσιπ, και αυτό θα σήμαινε επίσης χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος και ταχύτερες λειτουργίες.

"Το φαινόμενο spin Seebeck μας επιτρέπει να περάσουμε έναν καθαρό ρεύμα σπιν, μια ροή των σπιν των ηλεκτρονίων χωρίς ηλεκτρικά ρεύματα, σε μεγάλη απόσταση," έγραψαν οι φυσικοί. "Αυτές οι καινοτόμες δυνατότητες θα ενδυναμώσουν την σπιντρονική έρευνα."

Σημείωση: Σ' ένα συνηθισμένο ηλεκτρικό κύκλωμα, τα σπιν προσανατολίζονται τυχαία, και δεν έχουν καμιά επίδραση στη ροή του ρεύματος. Στις σπιντρονικές όμως συσκευές δημιουργούν ρεύματα που έχουν πολωμένα σπιν, και χρησιμοποιούν το σπιν για τον έλεγχο της ροής του ρεύματος.