Creșterea căldurii electronilor dezvăluie un fenomen fizic evaziv

Când lucrurile se încălzesc, electronii care se rotesc merg pe drumuri separate.

Încălzirea unui capăt al unei benzi de platină transportă electronii în jurul lor în funcție de spinul lor, o proprietate cuantică care îi face să se comporte ca și cum s-ar învârti. Cunoscut sub numele de efectul de spin Nernst, fenomenul nou detectat a fost singurul dintr-un grup de efecte de spin asociate care nu fuseseră observate anterior, raportează cercetătorii online pe 11 septembrie în Materiale de natură.

„Ultima piesă lipsă din puzzle a fost spin Nernst și de aceea ne-am propus să căutăm asta”, spune coautorul studiului Sebastian Goennenwein, fizician la Universitatea Tehnică din Dresda, Germania.

Efectul și frații săi – cu nume precum efectul de spin Hall, efectul de spin Seebeck și efectul de spin Peltier – permit oamenilor de știință să creeze fluxuri de spini de electroni sau curenți de spin. O astfel de cercetare ar putea duce la gadgeturi electronice mai mici și mai eficiente, care folosesc spin-urile electronilor pentru a stoca și transmite informații în loc de încărcare electrică, o tehnică cunoscută sub numele de „spintronica”.

În efectul de rotație Nernst, numit după chimistul laureat al premiului Nobel Walther Nernst, încălzirea unui capăt al unui metal face ca electronii să curgă spre celălalt capăt, sărind în interiorul materialului pe măsură ce merg. În anumite materiale, acel salt are o direcție preferată: electronii cu rotiri îndreptate în sus (ca și cum s-ar învârti în sens invers acelor de ceasornic) merg la dreapta, iar electronii cu spinuri îndreptate în jos (ca și cum ar fi învârtite în sensul acelor de ceasornic) merg spre stânga, creând un curent general de rotație. Deși efectul fusese prezis, nimeni nu îl observase încă.

Găsirea dovezilor efectului a necesitat dezlegarea acestuia de alte efecte legate de căldură și încărcare care apar în materiale. Pentru a face acest lucru, cercetătorii au cuplat platina la un strat de izolator magnetic, un material cunoscut sub numele de granat de fier ytriu. Apoi, au modificat direcția de magnetizare a izolatorului, ceea ce a schimbat dacă curentul de spin ar putea circula prin izolator. Această modificare a modificat ușor o tensiune măsurată de-a lungul benzii de platină. Oamenii de știință au măsurat modul în care această tensiune s-a schimbat cu direcția magnetizării pentru a izola amprentele efectului Nernst de spin.

„Măsurarea a fost un tur de forță; măsurarea a fost ridicol de grea”, spune fizicianul Joseph Heremans de la Ohio State University din Columbus, care nu a fost implicat în cercetare. Efectul ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine materialele care pot fi utile pentru construirea de dispozitive spintronice, spune el. „Este într-adevăr un nou set de ochi asupra fizicii a ceea ce se întâmplă în interiorul acestor dispozitive.”

O rudă a efectului de spin Nernst numită efectul de spin Hall este mult studiată pentru utilizarea potențială în dispozitivele spintronice. În efectul Hall de spin, un câmp electric împinge electronii printr-un material, iar particulele se îndreaptă spre stânga și spre dreapta, în funcție de spinul lor. Efectul de spin Nernst se bazează pe aceeași fizică de bază, dar folosește căldura în loc de un câmp electric pentru a face particulele în mișcare.

„Este un experiment frumos. Arată foarte frumos efectul de spin Nernst”, spune fizicianul Greg Fuchs de la Universitatea Cornell. „Unifică frumos înțelegerea noastră a interrelației dintre sarcină, căldură și transportul de spin.”