Nano-koelelement werkt nu ook in elektrische isolatoren

De werking van het koelelement is gebaseerd op de spin van de elektronen. Spin is een eigenschap van een elektron die correspondeert met zijn magnetisch moment (de sterkte en richting van zijn magnetisch veld). Het is niet de eerste keer dat de natuurkundigen spin gebruiken om te koelen, maar het is wel de eerste keer dat dit lukt in elektrisch isolerende materialen.

Warmtetransport door een nanopilaar

In eerder onderzoek  lieten de wetenschappers een elektrische stroom van elektronen door magnetische metalen lopen. De spins van deze elektronen richten zich in een magneetveld allemaal dezelfde kant op, parallel aan de magnetisatie. De onderzoekers stuurden de elektronen door een pilaar die bestaat uit twee magnetische lagen (met daartussen een niet-magnetische laag). De gebruikte pilaar was minuscuul – zo’n duizend keer kleiner dan de dikte van een menselijke haar.

Een elektron dat start in de onderste laag, draait zijn spin in overeenstemming met de magnetisatierichting in die laag. Vervolgens stroomt het elektron naar de bovenste laag. Als de magnetisatierichting daar gelijk is aan die in de onderste laag, is de spin nog steeds parallel gericht aan de magnetisatie. Elektronen met een parallelle spinrichting transporteren meer warmte dan elektronen met een tegengestelde spinrichting. In dit geval zorgen de elektronen dus voor veel warmtetransport door de gehele pilaar. Als het elektron in de bovenste laag echter op een tegengestelde magnetisatie stuit, is het warmtetransport onderdrukt. Met deze kennis wisten de onderzoekers een meetbaar temperatuurverschil te veroorzaken tussen de twee zijden van de pilaar.

Spingolven

Deze methode werkt echter niet in een elektrische isolator – een materiaal waar de elektronen niet gemakkelijk doorheen bewegen. De onderzoekers hebben nu toch een koelmethode gevonden die ook in isolerende materialen werkt. In het nieuwe onderzoek laten zij zien dat de spins op een grensvlak tussen een niet-magnetisch metaal en een magnetische isolator zogenoemde spingolven veroorzaken die warmte aan- of afvoeren.

De onderzoekers gebruikten een 200 nanometer dikke isolator van yttrium-ijzer granaat (een mineraal), met daarop een laagje platinum van 20 bij 200 micrometer. Elektronen kunnen gemakkelijk door het geleidende platinum stromen, maar wanneer zij het het isolerende granaat bereiken, kunnen ze niet verder. Toch wordt de spin van het elektron wél doorgegeven: het magnetisch moment van het elektron beïnvloedt het magnetisch moment (en dus de spin) van de elektronen in de isolator die op het grensvlak zitten. Door magnetische koppeling wordt deze spinverandering vervolgens doorgegeven aan elektronen die verder van het grensvlak verwijderd zijn. Er lijkt zodoende een golf van spinveranderingen door het materiaal te lopen. De spingolf vervoert ook warmte van of naar het grensvlak. Afhankelijk van de richting van zowel de spin als de magnetisatie in het mineraal, zal het grensvlak dus afkoelen of verwarmen.

Thermometers

De onderzoekers plaatsten kleine, erg gevoelige thermometers op een paar micrometer afstand van het grensvlak waarmee zij temperatuurverschillen detecteerden terwijl elektronen door de platinum strip stroomden. De natuurkundigen vergeleken hun metingen vervolgens met de bovenstaande theorie. De temperatuurverschillen, die slechts 0,25 millicelsius groot zijn, lijken de theorie te bevestigen.

Observation of the Spin Peltier Effect for Magnetic Insulators , Phys. Rev. Lett. 113, 027601.

De American Physical Society publiceerde een ‘viewpoint‘ over het onderzoek.