Los fonones quirales crean corriente de espín sin necesidad de materiales magnéticos

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill utilizaron fonones quirales para convertir el calor desperdiciado en información de espín, sin necesidad de materiales magnéticos. El hallazgo podría conducir a nuevas clases de dispositivos espintrónicos menos costosos y energéticamente eficientes para su uso en aplicaciones que van desde la memoria computacional hasta las redes eléctricas.

Los dispositivos espintrónicos son dispositivos electrónicos que aprovechan el giro de un electrón, en lugar de su carga, para crear corriente que se utiliza para el almacenamiento de datos, la comunicación y la informática. Los dispositivos caloritrónicos de espín, llamados así porque utilizan energía térmica para crear una corriente de espín, son prometedores porque pueden convertir el calor residual en información de espín, lo que los hace extremadamente eficientes energéticamente. Sin embargo, los dispositivos caloritrónicos de espín actuales deben contener materiales magnéticos para poder crear y controlar el espín del electrón.

"Usamos fonones quirales para crear una corriente de espín a temperatura ambiente sin necesidad de materiales magnéticos", dice Dali Sun, profesor asociado de física y miembro del Laboratorio de Electrónica Orgánica y de Carbono (ORaCEL) de la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

"Al aplicar un gradiente térmico a un material que contiene fonones quirales, se puede dirigir su momento angular y crear y controlar la corriente de espín". dice Jun Liu, profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State y miembro de ORaCEL.

Tanto Liu como Sun son coautores de la investigación, que aparece en Nature Materials.

Los fonones quirales son grupos de átomos que se mueven en dirección circular cuando son excitados por una fuente de energía (en este caso, calor). A medida que los fonones se mueven a través de un material, propagan ese movimiento circular, o momento angular, a través de él. El momento angular sirve como fuente de giro y la quiralidad dicta la dirección del giro.

"Los materiales quirales son materiales que no se pueden superponer a su imagen especular", dice Sun. “Piensa en tus manos derecha e izquierda: son quirales. No se puede poner un guante para zurdos en la mano derecha, ni viceversa. Esta "lateralidad" es lo que nos permite controlar la dirección de giro, lo cual es importante si desea utilizar estos dispositivos para el almacenamiento de memoria".

Los investigadores demostraron corrientes de espín generadas por fonones quirales en una perovskita orgánica-inorgánica híbrida en capas bidimensionales mediante el uso de un gradiente térmico para introducir calor al sistema.

"Se necesita un gradiente porque la diferencia de temperatura en el material (de caliente a frío) impulsa el movimiento de los fonones quirales a través de él", dice Liu. "El gradiente térmico también nos permite utilizar el calor residual capturado para generar corriente de giro".

Los investigadores esperan que el trabajo conduzca a dispositivos espintrónicos que sean más baratos de producir y puedan utilizarse en una variedad más amplia de aplicaciones.

"Eliminar la necesidad de magnetismo en estos dispositivos significa abrir la puerta de par en par en términos de acceso a materiales potenciales", dice Liu. "Y eso también significa una mayor rentabilidad".

"El uso de calor residual en lugar de señales eléctricas para generar corriente de espín hace que el sistema sea energéticamente eficiente y los dispositivos pueden funcionar a temperatura ambiente", afirma Sun. "Esto podría conducir a una variedad mucho más amplia de dispositivos espintrónicos de los que tenemos disponibles actualmente".

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía de EE. UU. Wei You, profesor de química en la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill y miembro de ORaCEL, también es coautor correspondiente del estudio.

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Nota para los editores:Sigue un resumen.

“Efecto Spin Seebeck activado por fonones quirales”

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

Autores: Kyunghoon Kim, Eric Vetter, Cong Yang, Ziqi Wang, Rui Sun, Andrew Comstock, Dali Sun, Jun Liu, Universidad Estatal de Carolina del Norte; Liang Yan, Wei You, Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill; Yu Yang, Xiao Li , Jun Zhou, Lifa Zhang, Universidad Normal de Nanjing, Nanjing, China Publicado: 13 de febrero de 2023 en Nature Materials

Abstracto: La utilización de la interacción entre el espín y las corrientes de calor es el foco central del campo de la caloritrónica del espín. Los fonones quirales que poseen momento angular que surge de la simetría rota de un material no magnético crean el potencial de generar corrientes de espín a temperatura ambiente en respuesta a un gradiente térmico, eliminando la necesidad de un contacto ferromagnético. Aquí mostramos la observación de las corrientes de espín generadas por fonones quirales en una perovskita orgánica-inorgánica híbrida en capas bidimensional implantada con cationes quirales cuando se somete a un gradiente térmico. La corriente de espín generada muestra una fuerte dependencia de la quiralidad de la película y de los campos magnéticos externos, cuyo coeficiente es órdenes de magnitud mayor que el producido por el efecto Seebeck de espín informado. Nuestros hallazgos indican el potencial de los fonones quirales para aplicaciones caloritrónicas de espín y ofrecen una nueva ruta hacia la generación de espín en ausencia de materiales magnéticos.