Nano-koelelement werkt nu ook in elektrische isolatoren

Een team van wetenschappers onder leiding van RUG-hoogleraar natuurkunde Bart van Wees heeft een minuscuul koelelement ontworpen dat spingolven gebruikt om warmte te vervoeren in elektrische isolatoren. Het koelelementje kan bijvoorbeeld hitte afvoeren in de steeds kleinere elektrische componenten van computerchips.

De onderzoekers van Stichting FOM, de Rijksuniversiteit Groningen, Technische Universiteit Delft en Tohoku University in Japan publiceerden hun ontwerp op 7 juli 2014 online in Physical Review Letters, zo meldt FOM .

De werking van het koelelement is gebaseerd op de spin van de elektronen. Spin is een eigenschap van een elektron die correspondeert met zijn magnetisch moment (de sterkte en richting van zijn magnetisch veld). Het is niet de eerste keer dat de natuurkundigen spin gebruiken om te koelen, maar het is wel de eerste keer dat dit lukt in elektrisch isolerende materialen.

De onderzoekers gebruikten een 200 nanometer dikke isolator van van yttrium-ijzer granaat (een mineraal), met daarop een laagje platinum van 20 bij 200 micrometer. Elektronen kunnen gemakkelijk door het geleidende platinum stromen, maar wanneer zij het het isolerende granaat bereiken, kunnen ze niet verder. Toch wordt de spin van het elektron wél doorgegeven: het magnetisch moment van het elektron beïnvloedt het magnetisch moment (en dus de spin) van de elektronen in de isolator die op het grensvlak zitten.

Door magnetische koppeling wordt deze spinverandering vervolgens doorgegeven aan elektronen die verder van het grensvlak verwijderd zijn. Er lijkt zodoende een golf van spinveranderingen door het materiaal te lopen. De spingolf vervoert ook warmte van of naar het grensvlak. Afhankelijk van de richting van zowel de spin als de magnetisatie in het mineraal, zal het grensvlak dus afkoelen of verwarmen.

Zie voor meer informatie het hele FOM-persbericht