Onderzoekers ontwikkelen een magnetische nano-warmteschakelaar

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen, Technische Universiteit Delft, Tohoku University en de Stichting FOM hebben een nano-warmteschakelaar ontworpen die ze magnetisch aan en uit kunnen schakelen. In de toekomst kunnen ze deze minuscule schakelaars mogelijk gebruiken om een overschot aan warmte af te voeren van afzonderlijke transistors in chips. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 8 september 2013 in de online editie van Nature Physics.

De werking van de schakelaar is gebaseerd op de spin van de elektronen: een fundamentele eigenschap die het magnetisch moment van deeltjes veroorzaakt. Tot nu toe dachten natuurkundigen dat de temperatuur van een elektron onafhankelijk is van de richting van zijn spin. De onderzoekers hebben nu aangetoond dat dit niet altijd het geval is. Ze brachten een temperatuurverschil aan op het grensvlak tussen een 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.

Warmte in magnetische nanopilaar

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.

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.

Spin-caloritronica

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 we ze gebruiken 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.

Informatie: prof. dr. ir. Bart van Wees