Ερευνητές στο National Taiwan University ανέφεραν την πρώτη πειραματική απόδειξη της εγκάρσιας συσσώρευσης της στροφορμής των τροχιακών ηλεκτρονίων που οδηγείται από τη θερμότητα, γνωστής ως τροχιακού φαινομένου Nernst. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications.
Τα φαινόμενα Hall και Nernst αποτελούν θεμελιώδη φαινόμενα στη μεταφορά ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Περιγράφουν πώς οι φορείς πληροφοριών, όπως τα ηλεκτρόνια ή τα σπιν, μπορούν να αναπτύξουν μια εγκάρσια απόκριση όταν οδηγούνται από ένα ηλεκτρικό πεδίο ή μια βαθμίδα θερμοκρασίας. Μεταξύ της οικογένειας Hall, τα φαινόμενα spin Hall και τροχιακού Hall έχουν προσελκύσει τεράστιο ενδιαφέρον επειδή επιτρέπουν σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα να παράγει εγκάρσιες ροές στροφορμής.
Ωστόσο, πειραματικά παραμένει δύσκολο να διακριθεί η τροχιακή από τη στροφορμή spin, καθώς και τα δύο διασPούν τη συμμετρία αναστροφής του χρόνου και μοιράζονται την ίδια γεωμετρία ανίχνευσης. Ακόμη πιο απαιτητικό είναι να αποδειχθεί το τροχιακό φαινόμενο Nernst, επειδή η ροή θερμότητας είναι γενικά πιο δύσκολο να ελεγχθεί και να χαρακτηριστεί από το ηλεκτρικό ρεύμα. Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, η ερευνητική ομάδα σχεδίασε προσεκτικά μια δομή πολλαπλών στρωμάτων που μετατρέπει τη θερμικά παραγόμενη τροχιακή στροφορμή σε ηλεκτρικό σήμα που μπορεί να μετρηθεί.
Μετατροπή τροχιακών ρευμάτων σε μετρήσιμα σήματα
Οι ερευνητές επέλεξαν φυσικά οξειδωμένο φιλμ χαλκού ως πηγή τροχιακού ρεύματος, το οποίο μπορεί να παράγει σημαντικά τροχιακά ρεύματα μέσω του τροχιακού φαινομένου Hall παράγοντας αμελητέο ρεύμα spin. Χρησιμοποίησαν yttrium iron garnet ως μαγνητικό μονωτικό στρώμα ανίχνευσης. Μεταξύ αυτών των δύο στρωμάτων, η ομάδα τοποθέτησε ένα λεπτό φιλμ platinum, το οποίο χρησιμεύει ως μεταφραστής μεταξύ της τροχιακής στροφορμής και της στροφορμής spin.
Όταν εφαρμόζεται μια βαθμίδα θερμοκρασίας κατά μήκος του δείγματος, το τροχιακό φαινόμενο Nernst παράγει ένα εγκάρσιο τροχιακό ρεύμα, οδηγώντας σε συσσώρευση τροχιακής στροφορμής κοντά στις επιφάνειες. Κατά την είσοδο στο platinum, η σύζευξη spin-τροχιάς μετατρέπει την τροχιακή στροφορμή σε στροφορμή spin. Το προκύπτον ρεύμα spin διαδίδεται προς τη διεπαφή, όπου η ανάκλαση ή η απορρόφησή του εξαρτάται από την κατεύθυνση της μαγνήτισης. Μετρώντας τις διαφορές τάσης μεταξύ διαφορετικών προσανατολισμών μαγνήτισης, οι ερευνητές μπόρεσαν να ποσοτικοποιήσουν τη συνεισφορά από το τροχιακό φαινόμενο Nernst χρησιμοποιώντας ένα μακροσκοπικό μοντέλο διάχυσης.
Η αντιστροφή πρόσημου αποκαλύπτει την τροχιακή μεταφορά
Για να αντιμετωπίσουν τα πειραματικά εμπόδια, η ομάδα συνέκρινε τρεις δομές δειγμάτων. Το δείγμα μόνο με platinum παρουσίασε ένα σαφές θερμικό σήμα που συνδέεται με το φαινόμενο spin Nernst, ενώ το δείγμα μόνο με copper oxide δεν έδειξε σχεδόν καμία ανιχνεύσιμη απόκριση. Αυτό συνάδει με την εικόνα ότι το υλικό παράγει κυρίως τροχιακή και όχι στροφορμή spin.
Όταν τα δύο υλικά συνδυάστηκαν, το μετρούμενο σήμα άλλαξε πρόσημο και το εκτιμώμενο συνολικό ρεύμα σπιν αυξήθηκε σε υπερδιπλάσιο επίπεδο από αυτό του δείγματος αποκλειστικά με platinum. Αυτή η αντιστροφή πρόσημου και η ενίσχυση του σήματος παρέχουν συναρπαστική απόδειξη μεταφοράς για ένα επιπλέον τροχιακό ρεύμα που παράγεται από τη θερμότητα. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν έναν πιθανό τρόπο αξιοποίησης της θερμικής ενέργειας σε συστήματα σπιντρονικής, καθώς η θερμότητα παράγεται αναπόφευκτα κατά τη λειτουργία των ηλεκτρονικών συσκευών.