キラルフォノンは磁性材料を必要とせずにスピン流を生成します

ノースカロライナ州立大学とノースカロライナ大学チャペルヒル校の研究者らは、キラルフォノンを使用して、磁性材料を必要とせずに無駄な熱をスピン情報に変換しました。 この発見は、計算メモリから電力網に至るまでの用途に使用される、より安価でエネルギー効率の高い新しいクラスのスピントロニクスデバイスにつながる可能性がある。

スピントロニクス デバイスは、電子の電荷ではなく電子のスピンを利用して、データの保存、通信、コンピューティングに使用される電流を生成する電子デバイスです。 スピンカロリトロニクスデバイス（熱エネルギーを利用してスピン流を生成するためそう呼ばれる）は、廃熱をスピン情報に変換できるため、非常にエネルギー効率が高く、有望である。 ただし、現在のスピンカロリートロニクスデバイスには、電子のスピンを生成および制御するために磁性材料が含まれている必要があります。

「キラルフォノンを使用して、磁性材料を必要とせずに室温でスピン流を生成しました」と、ノースカロライナ州立大学の有機・炭素エレクトロニクス研究室 (ORaCEL) のメンバーで物理学の准教授であるダリ・サン氏は述べています。

「キラルフォノンを含む材料に熱勾配を適用することで、その角運動量を方向付け、スピン流を生成して制御することができます。」 ノースカロライナ州立大学機械航空宇宙工学准教授で ORaCEL メンバーの Jun Liu 氏は次のように述べています。

Liu と Sun の両氏は、Nature Materials に掲載されたこの研究の共同責任著者です。

キラルフォノンは、エネルギー源 (この場合は熱) によって励起されたときに円方向に移動する原子のグループです。 フォノンが材料中を移動すると、その円運動、つまり角運動量が材料中を伝播します。 角運動量はスピンの源として機能し、キラリティはスピンの方向を決定します。

「キラル材料は、その鏡像に重ね合わせることができない材料です」とサン氏は言います。 「あなたの右手と左手を考えてみてください。それらはキラルです。 左手用のグローブを右手にはめることはできませんし、その逆も同様です。 この「利き手」によってスピンの方向を制御できるようになります。これは、これらのデバイスを記憶装置として使用したい場合に重要です。」

研究者らは、熱勾配を利用して系に熱を導入することにより、二次元層状有機無機ハイブリッドペロブスカイト内でキラルフォノンが生成するスピン流を実証した。

「高温から低温までの材料内の温度差により、材料中のキラルフォノンの動きが促進されるため、勾配が必要です」とリュー氏は言います。 「熱勾配により、捕らえた廃熱を利用してスピン流を生成することも可能になります。」

研究者らは、この研究がより安価に製造でき、より幅広い用途に使用できるスピントロニクスデバイスにつながることを期待している。

「これらのデバイスで磁気の必要性がなくなるということは、潜在的な材料へのアクセスという点で扉が大きく開かれることを意味します」とリュー氏は言います。 「そしてそれは費用対効果の向上も意味します。」

「電気信号ではなく廃熱を利用してスピン流を生成することで、システムのエネルギー効率が向上し、デバイスは室温で動作できます」とサン氏は言います。 「これにより、現在利用可能なスピントロニクスデバイスよりもはるかに多様なスピントロニクスデバイスが誕生する可能性があります。」

この研究は、国立科学財団と米国エネルギー省の支援を受けました。 ノースカロライナ大学チャペルヒル校の化学教授であり、ORaCEL のメンバーでもある Wei You 氏も、この研究の共同責任著者です。

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編集者への注記:要約が続きます。

「キラルフォノン活性化スピンゼーベック効果」

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

著者: Kyunghoon Kim、Eric Vetter、Cong Yang、Ziqi Wang、Rui Sun、Andrew Comstock、Dali Sun、Jun Liu、ノースカロライナ州立大学、Liang Yan、Wei You、ノースカロライナ大学チャペルヒル校、Yu Yang、Xiao Li 、Jun Zhou、Lifa Zhang、南京師範大学、南京、中国公開日: 2023 年 2 月 13 日、Nature Materials