I fononi chirali creano corrente di spin senza bisogno di materiali magnetici

I ricercatori della North Carolina State University e dell’Università della Carolina del Nord a Chapel Hill hanno utilizzato fononi chirali per convertire il calore sprecato in informazioni di spin, senza bisogno di materiali magnetici. La scoperta potrebbe portare a nuove classi di dispositivi spintronici meno costosi ed efficienti dal punto di vista energetico da utilizzare in applicazioni che vanno dalla memoria computazionale alle reti elettriche.

I dispositivi spintronici sono dispositivi elettronici che sfruttano lo spin di un elettrone, anziché la sua carica, per creare corrente utilizzata per l’archiviazione, la comunicazione e l’elaborazione dei dati. I dispositivi caloritronici di spin – così chiamati perché utilizzano l’energia termica per creare corrente di spin – sono promettenti perché possono convertire il calore di scarto in informazioni di spin, il che li rende estremamente efficienti dal punto di vista energetico. Tuttavia, gli attuali dispositivi caloritronici con spin devono contenere materiali magnetici per creare e controllare lo spin dell'elettrone.

"Abbiamo utilizzato fononi chirali per creare una corrente di spin a temperatura ambiente senza bisogno di materiali magnetici", afferma Dali Sun, professore associato di fisica e membro dell'Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) presso la North Carolina State University.

“Applicando un gradiente termico a un materiale che contiene fononi chirali, puoi dirigere il loro momento angolare e creare e controllare la corrente di spin”. afferma Jun Liu, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale presso NC State e membro di ORaCEL.

Sia Liu che Sun sono autori corrispondenti della ricerca, che appare su Nature Materials.

I fononi chirali sono gruppi di atomi che si muovono in direzione circolare quando eccitati da una fonte di energia, in questo caso il calore. Quando i fononi si muovono attraverso un materiale, propagano il movimento circolare, o momento angolare, attraverso di esso. Il momento angolare funge da fonte di rotazione e la chiralità determina la direzione della rotazione.

"I materiali chirali sono materiali che non possono essere sovrapposti alla loro immagine speculare", afferma Sun. “Pensa alle tue mani destra e sinistra: sono chirali. Non puoi mettere un guanto per mancini sulla mano destra e viceversa. Questa "manualità" è ciò che ci permette di controllare la direzione della rotazione, il che è importante se si desidera utilizzare questi dispositivi per l'archiviazione della memoria."

I ricercatori hanno dimostrato correnti di spin chirali generate da fononi in una perovskite ibrida organica-inorganica stratificata bidimensionale utilizzando un gradiente termico per introdurre calore nel sistema.

“È necessario un gradiente perché la differenza di temperatura nel materiale – da caldo a freddo – guida il movimento dei fononi chirali attraverso di esso”, afferma Liu. “Il gradiente termico ci consente inoltre di utilizzare il calore di scarto catturato per generare corrente di spin”.

I ricercatori sperano che il lavoro porti a dispositivi spintronici più economici da produrre e che possano essere utilizzati in una più ampia varietà di applicazioni.

"Eliminare la necessità del magnetismo in questi dispositivi significa aprire la porta in termini di accesso a potenziali materiali", afferma Liu. “E questo significa anche una maggiore redditività”.

“L’utilizzo del calore di scarto anziché dei segnali elettrici per generare corrente di spin rende il sistema efficiente dal punto di vista energetico e i dispositivi possono funzionare a temperatura ambiente”, afferma Sun. “Ciò potrebbe portare a una varietà di dispositivi spintronici molto più ampia di quella attualmente disponibile”.

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation e dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Anche Wei You, professore di chimica presso l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill e membro di ORaCEL, è un co-autore corrispondente dello studio.

-peake-

Nota per gli editori:Segue un abstract.

“Effetto Spin Seebeck attivato da fononi chirali”

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

Autori: Kyunghoon Kim, Eric Vetter, Cong Yang, Ziqi Wang, Rui Sun, Andrew Comstock, Dali Sun, Jun Liu, North Carolina State University; Liang Yan, Wei You, University of North Carolina a Chapel Hill; Yu Yang, Xiao Li , Jun Zhou, Lifa Zhang, Nanjing Normal University, Nanjing, CinaPubblicato: 13 febbraio 2023 in Nature Materials