Fônons quirais criam corrente de rotação sem a necessidade de materiais magnéticos

Pesquisadores da Universidade Estadual da Carolina do Norte e da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill usaram fônons quirais para converter o calor desperdiçado em informações de spin – sem a necessidade de materiais magnéticos. A descoberta pode levar a novas classes de dispositivos spintrônicos mais baratos e energeticamente eficientes para uso em aplicações que vão desde memória computacional até redes de energia.

Dispositivos spintrônicos são dispositivos eletrônicos que aproveitam o spin de um elétron, em vez de sua carga, para criar corrente usada para armazenamento de dados, comunicação e computação. Dispositivos spin caloritrônicos – assim chamados porque utilizam energia térmica para criar corrente de spin – são promissores porque podem converter o calor residual em informações de spin, o que os torna extremamente eficientes em termos energéticos. No entanto, os dispositivos caloritrônicos de spin atuais devem conter materiais magnéticos para criar e controlar o spin do elétron.

“Usamos fônons quirais para criar uma corrente de spin à temperatura ambiente sem a necessidade de materiais magnéticos”, diz Dali Sun, professor associado de física e membro do Laboratório de Eletrônica Orgânica e de Carbono (ORaCEL) da Universidade Estadual da Carolina do Norte.

“Ao aplicar um gradiente térmico a um material que contém fônons quirais, você pode direcionar seu momento angular e criar e controlar a corrente de spin.” diz Jun Liu, professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial na NC State e membro da ORaCEL.

Tanto Liu quanto Sun são co-autores correspondentes da pesquisa, que aparece na Nature Materials.

Os fônons quirais são grupos de átomos que se movem em uma direção circular quando excitados por uma fonte de energia – neste caso, o calor. À medida que os fônons se movem através de um material, eles propagam esse movimento circular, ou momento angular, através dele. O momento angular serve como fonte de spin, e a quiralidade dita a direção do spin.

“Materiais quirais são materiais que não podem ser sobrepostos à sua imagem espelhada”, diz Sun. “Pense nas suas mãos direita e esquerda – elas são quirais. Você não pode colocar uma luva para canhotos na mão direita, ou vice-versa. Essa ‘lateralidade’ é o que nos permite controlar a direção do giro, o que é importante se você quiser usar esses dispositivos para armazenamento de memória.”

Os pesquisadores demonstraram correntes de spin geradas por fônons quirais em uma perovskita orgânica-inorgânica híbrida em camadas bidimensionais, usando um gradiente térmico para introduzir calor no sistema.

“Um gradiente é necessário porque a diferença de temperatura no material – de quente para frio – impulsiona o movimento dos fônons quirais através dele”, diz Liu. “O gradiente térmico também nos permite usar o calor residual capturado para gerar corrente de spin.”

Os pesquisadores esperam que o trabalho leve a dispositivos spintrônicos que sejam mais baratos de produzir e possam ser usados ​​em uma ampla variedade de aplicações.

“Eliminar a necessidade de magnetismo nesses dispositivos significa que você está abrindo bem a porta em termos de acesso a materiais potenciais”, diz Liu. “E isso também significa maior custo-benefício.”

“Usar calor residual em vez de sinais elétricos para gerar corrente de rotação torna o sistema energeticamente eficiente – e os dispositivos podem operar em temperatura ambiente”, diz Sun. “Isso poderia levar a uma variedade muito maior de dispositivos spintrônicos do que os que temos atualmente disponíveis.”

A pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA. Wei You, professor de química da Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill e membro da ORaCEL, também é co-autor correspondente do estudo.

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Nota aos editores:Segue um resumo.

“Efeito Spin Seebeck ativado por Chiral-Phonon”

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

Autores: Kyunghoon Kim, Eric Vetter, Cong Yang, Ziqi Wang, Rui Sun, Andrew Comstock, Dali Sun, Jun Liu, Universidade Estadual da Carolina do Norte; Liang Yan, Wei You, Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill; Yu Yang, Xiao Li , Jun Zhou, Lifa Zhang, Nanjing Normal University, Nanjing, ChinaPublicado: 13 de fevereiro de 2023 em Nature Materials