p (Phys.org) - Pesquisadores da Fundação FOM, a Universidade de Groningen, A Delft University of Technology e a Tohoku University, no Japão, desenvolveram um minúsculo elemento de resfriamento que usa ondas de spin para transportar calor em isoladores elétricos. O elemento de resfriamento pode ser usado para dissipar o calor nos componentes elétricos cada vez menores dos chips de computador. Os pesquisadores publicaram seu projeto online em 7 de julho de 2014 em Cartas de revisão física . p O funcionamento do elemento de resfriamento é baseado no spin dos elétrons. O spin é uma propriedade fundamental de um elétron que corresponde ao seu momento magnético (a força e a direção do seu campo magnético). Embora os físicos tenham usado o spin para fins de resfriamento antes, esta é a primeira vez que eles têm feito isso com sucesso em materiais isolantes.

p Transporte de calor através de um nanopilar

p Em pesquisas anteriores, os cientistas deixaram uma corrente de elétrons fluir através de metais magnéticos. Em um campo magnético, os spins desses elétrons se alinharão na mesma direção, nomeadamente paralela à magnetização. Os pesquisadores enviaram os elétrons através de um pilar que consistia em duas camadas magnéticas (com uma camada não magnética entre elas). O pilar usado era minúsculo - cerca de mil vezes menor que a espessura de um cabelo humano.

p Um elétron que começa na camada inferior alinha seu spin à direção da magnetização nessa camada. Posteriormente, o elétron flui para a camada superior. Se a direção da magnetização for a mesma da camada inferior, então o spin ainda está orientado paralelamente à magnetização. Elétrons com direção de spin paralela transportam mais calor do que elétrons com direção de spin oposta. Então, neste caso, os elétrons garantem que muito calor seja transportado por todo o pilar. Se os elétrons, Contudo, encontrar uma magnetização na direção oposta na camada superior, o transporte de calor é suprimido. Usando esse conhecimento, os pesquisadores conseguiram causar uma diferença mensurável de temperatura entre os dois lados do pilar.

p Ondas giratórias

p Este método não funciona em um isolador elétrico - um material que não conduz elétrons facilmente. No entanto, os pesquisadores descobriram agora um método de resfriamento que também funciona em materiais isolantes. Na nova pesquisa, eles demonstraram que os spins na fronteira entre um metal não magnético e um isolador magnético causam as chamadas ondas de spin que transportam calor de ou para o material.

p Os pesquisadores usaram um isolador de 200 nanômetros de espessura de granada de ítrio-ferro (um mineral) com uma camada de platina de 20 por 200 micrômetros no topo. Os elétrons podem fluir facilmente através da platina condutora, mas quando alcançam a granada isolante, não podem ir mais longe. No entanto, o spin dos elétrons é transferido:o momento magnético do elétron influencia o momento magnético (e, portanto, o spin) dos elétrons no isolador que estão na fronteira entre os dois materiais. Por meio do acoplamento magnético, essa mudança de spin é subsequentemente transferida para os elétrons que estão situados mais longe da fronteira. Desta forma, uma onda de mudanças de rotação parece prosseguir através do material. A onda de spin também transfere calor de ou para a fronteira. Depende da direção do spin e da magnetização no mineral, o limite, portanto, será resfriado ou aquecido.

p Termômetros

p Os pesquisadores colocaram pequenos, termômetros altamente sensíveis a apenas alguns micrômetros de distância do limite e os usam para detectar as diferenças de temperatura enquanto os elétrons fluem através da faixa de platina. Os físicos subsequentemente compararam suas medições com a teoria acima mencionada. As diferenças de temperatura, apenas 0,25 millicelsius de tamanho, parecem confirmar a teoria.

p Esta pesquisa foi financiada conjuntamente pela Fundação FOM, NanoLab NL, JSPS, a Deutsche Forschungsgemeinschaft, Subvenção do FET da UE para o InSpin 612759 e o Instituto Zernike de Materiais Avançados.