Термоэлектрические спиновые устройства

Термоэлектрические спиновые устройства представляют собой класс спинтронных систем, где взаимодействие между спиновым током и тепловым градиентом играет ключевую роль. Основные эффекты в таких системах связаны с спиновым эффектом Зеебека и спиновым эффектом Пельтье, которые проявляются при переносе спина через границу между ферромагнетиком и нормальным металлом или через спинорбитальные материалы.

Спиновый эффект Зеебека (Spin Seebeck Effect, SSE) заключается в генерации спинового тока вдоль градиента температуры. В ферромагнитном материале тепловой градиент вызывает диффузию спин-возбуждений (магнонов), что создает чистый спиновый ток без электрического тока. Этот ток может быть преобразован в электрический через эффект обратного спин-Гальвано эффекта (ISHE) в смежном немагнитном металле с сильной спин–орбитальной связью.

Ключевые параметры SSE:

  • Градиент температуры (∇T) — сила и направление термостимула.
  • Магнонная плотность состояния — зависит от температуры и магнитной анизотропии материала.
  • Толщина магнитного слоя — определяет эффективность переноса спина к границе.

Механизм переноса:

  1. Под действием градиента температуры в ферромагнитном слое создается неравновесное распределение магнонов.
  2. Магноны диффундируют к границе с немагнитным металлом.
  3. Через спин-зависимые взаимодействия на интерфейсе часть углового момента передается электронам немагнитного слоя.
  4. В материале с сильной спин–орбитальной связью (например, Pt) возникает электрический ток за счет ISHE.

Спиновый эффект Пельтье и локальное охлаждение

Спиновый эффект Пельтье (Spin Peltier Effect, SPE) представляет собой обратное явление SSE: спиновый ток индуцирует локальный теплообмен на интерфейсе. Это позволяет реализовать спиновые термоэлектрические модули, где спиновый ток используется для охлаждения или нагрева.

Ключевые аспекты SPE:

  • Интерфейс ферромагнетик–немагнитный металл критичен для передачи спина.
  • Конверсии энергии: спин → тепловая энергия, зависимость от коэффициента спинового Пельтье.
  • Применение: локальное охлаждение наноразмерных устройств, управление температурой в спинтронных схемах.

Механизм SPE:

  1. Под действием внешнего спинового тока на границе ферромагнетика и металла создается неравновесное распределение магнонов.
  2. Магноны взаимодействуют с кристаллической решеткой, отдавая или поглощая энергию, что приводит к локальному изменению температуры.

Материалы для термоэлектрических спиновых устройств

Ферромагнетики:

  • Yttrium Iron Garnet (YIG) — низкие потери, высокая магнонная проводимость.
  • CoFeB — подходит для тонкопленочных структур.

Немагнитные металлы с сильной спин–орбитальной связью:

  • Pt, W, Ta — обеспечивают эффективное преобразование спинового тока в электрический.

Критерии выбора:

  • Высокая магнонная проводимость в ферромагнетике.
  • Сильная спин–орбитальная связь в металле для ISHE.
  • Чистота интерфейса для минимизации рассеяния спина.

Концепции устройств и архитектуры

  1. Термоэлектрический спиновой генератор:

    • SSE генерирует спиновый ток при градиенте температуры.
    • ISHE в немагнитном слое преобразует его в электрический сигнал.
    • Используется в микро- и наноэнергетических устройствах.

  2. Спиновой термоэлектрический модуль охлаждения:

    • SPE позволяет локально отводить или подавать тепло.
    • Применим для управления температурой спинтронных логических элементов.

  3. Гибридные магнон–электронные системы:

    • Комбинируют SSE и SPE для двухстороннего контроля энергии и спина.
    • Позволяют реализовать эффективное термоэлектрическое управление в наноразмерах.

Ключевые физические механизмы

  • Магноны и спиновый транспорт: главные носители спина при термоэлектрических эффектах.
  • Интерфейсные спиновые обменные взаимодействия: критичны для передачи углового момента между ферромагнетиком и металлом.
  • Конверсии спин–тепло–электричество: взаимодействие SSE и ISHE позволяет создавать генераторы, а SPE — локальные термоуправляющие устройства.

Эффективность таких систем определяется спиновой проводимостью интерфейса, толщиной слоев, температурным градиентом и спиновым временем релаксации.

Оглавление