Cпиновый эффект Зеебека — путь к термоспинтронике
|
В целом ряде термоэлектрических устройств давно используется так называемый эффект Зеебека — возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека: оказывается, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары.
В современной физике открытие новых эффектов — далеко не частое явление и, по сути, большая часть из них расширяет диапазон распространения классических эффектов на объекты наномира. Так случилось и с недавно открытым спиновым эффектом Зеебека, ставшим логическим продолжением классического эффекта Зеебека, открытого еще в 1821 году. Новичок, по заверениям ученых, способен сделать переворот в передовой области современной науки — спинтронике.
Классический эффект Зеебека заключается в возникновении электрического напряжения в цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Благодаря этому эффекту человечество обрело ключи к большому классу явлений под общим названием «термоэлектричество».
Сегодня в целом ряде устройств, таких как термоэлектрогенераторы, сенсоры напряжения, температуры, давления газа, интенсивности света, задействован эффект Зеебека. Термоэлектрические устройства широко используются в нашей повседневной жизни. Почти все хотя бы раз в жизни были в сауне, но мало кто знает, что температурный контроль в ней осуществляется так называемой термопарой.
Такой термоэлектрический термометр состоит из двух кусочков разнородных металлов, соединенных сваркой (рис. 1а). Один конец термопары помещается в измеряемую среду (в нашем случае в сауну), а свободные концы выведены наружу и подключены к измерительному устройству. При включении печи на нагрев разные концы термопары будут находиться при разных температурах (возникает температурный градиент), что приведет к возникновению термотока или термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).
Измерительное устройство преобразует термоток в показания термометра либо работает как датчик температуры на включение и отключение печи в сауне при достижении определенной температуры. Кстати, если, находясь в сауне, вы не имеете возможности прибавить температуру легальным путем (блок управления печью закрыт на замок администратором), то можно воспользоваться знанием физики. Для этого на «горячий» конец термопары достаточно намотать смоченный в воде носовой платок или полотенце. Следует отметить, что главное достоинство термопар по сравнению с жидкостными термометрами — широкий диапазон рабочих температур: от 4 до 2800 К в зависимости от используемых материалов.
Выделяют три основных причины возникновения термоЭДС. Во-первых, это температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников. В случае создания температурного градиента внутренние контактные разности потенциалов металлов будут различными, что и приводит к контактной составляющей термотока. Во-вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному. В металлах тепло переносят электроны, которые диффундируют от горячего конца к холодному, накапливаясь на нём. В результате появляется электрическое поле, направленное против температурного градиента и препятствующее дальнейшему разделению зарядов. В-третьих, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту и как бы «подталкивают» электроны к холодному концу.
Все эти причины учтены в так называемом коэффициенте Зеебека, который различается для разнородных проводников (так как зависит от плотности электронов проводимости и скорости их рассеяния) и определяется как отношение сгенерированного электрического напряжения к разности температур на концах проводника. Более подробно о классическом эффекте Зеебека можно прочитать здесь или здесь.
А недавно японские ученые экспериментально показали существование спинового эффекта Зеебека. Их работа была опубликована в журнале Nature. Всё началось с теоретических рассуждений. Так как в металлическом магните электроны проводимости в состояниях «спин вверх» и «спин вниз» имеют разную плотность и скорости рассеивания, то авторы публикации логично предположили, что спиновые состояния имеют и разные коэффициенты Зеебека. Другими словами, авторы предложили рассматривать магнит как два проводника с различными коэффициентами Зеебека (рис. 1b).
Итак, магнит (в данном эксперименте — 20-нанометровая пленка пермаллоя Ni81Fe19), помещенный в температурный градиент, содержит как бы два канала для электронов в разных спиновых состояниях. По сути, металлический магнит, помещенный в температурный градиент, является аналогом термопары! Так как по спиновым каналам будет протекать ток разной величины, соответственно ?^ и ?v, то на выходе из магнита мы можем извлекать чистый спиновый ток, равный ?^–?v. Как показали авторы статьи, такой термически индуцированный спиновый ток способен распространяться на сравнительно большие расстояния от концов магнита.
Спиновый эффект Зеебека — принципиально новая основа для создания генераторов спиновых токов, которые являются ключевыми элементами в устройствах термоспинтроники — электроники нового поколения. Японским ученым впервые в мире удалось получить чистый спиновый ток — поток электронных спинов (точнее, электронов с одинаковым спином) без приложения электрического тока, — распространяющийся на большие расстояния (несколько миллиметров). Это поразительный результат, так как все предыдущие исследования показали, что спиновые токи затухают на дистанциях, больших чем длина спиновой диффузии (расстояние, которое проходит спин без рассеяния); для сравнения, спиновая диффузия в меди составляет около 500 нм, в платине — 5 нм. Исключение составляет лишь работа Аппельбаума, которому удалось передать спин на расстояние 350 мкм.
Авторы полагают, что спиновый эффект Зеебека серьезно изменит исследования в области спиновых токов и приведет к скорому продвижению технологий по созданию спинтронных устройств нового поколения.
Источник: K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, S. Maekawa, E. Saitoh. Observation of the spin Seebeck effect // Nature. 2008. V. 455. P. 778-781; doi:10.1038/nature07321.
См. также о спинтронике:
1) Первый спиновый транзистор на основе кремния открывает путь к электронике нового поколения, «Элементы», 31.10.2007.
2) Магнитная память «на беговой дорожке»: быстро, дешево и надежно, «Элементы», 29.04.2008.
3) Нобелевская премия по физике — 2007, «Элементы», 16.10.2007.
Александр Самардак
