Skip to ContentSkip to Navigation
Over onsNieuws en agendaNieuwsberichten

Onderzoekers ontwikkelen een magnetische nano-warmteschakelaar

10 september 2013

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen, Technische Universiteit Delft, Tohoku University en de Stichting FOM hebben een nano-warmteschakelaar ontworpen die ze magnetisch aan en uit kunnen schakelen. In de toekomst kunnen ze deze minuscule schakelaars mogelijk gebruiken om een overschot aan warmte af te voeren van afzonderlijke transistors in chips. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 8 september 2013 in de online editie van Nature Physics.

De werking van de schakelaar is gebaseerd op de spin van de elektronen: een fundamentele eigenschap die het magnetisch moment van deeltjes veroorzaakt. Tot nu toe dachten natuurkundigen dat de temperatuur van een elektron onafhankelijk is van de richting van zijn spin. De onderzoekers hebben nu aangetoond dat dit niet altijd het geval is. Ze brachten een temperatuurverschil aan op het grensvlak tussen een niet-magnetisch en een magnetisch metaal. Afhankelijk van het teken van het temperatuurverschil bleken óf de elektronen met spin die parallel stond aan de magnetisatie, óf de elektronen met anti-parallelle spin een hogere temperatuur aan te nemen. De elektronen met tegengesteld spin kregen juist een lagere temperatuur. Het temperatuurverschil ontstaat doordat de warmtegeleiding in de magnetische laag voor de twee spinrichtingen verschilt.

Warmte in magnetische nanopilaar

Met deze kennis bouwden de onderzoekers een nanopilaar die bestaat uit twee magnetische lagen, met daartussen een niet-magnetische laag. In deze pilaar konden ze de magnetisatie van beide magnetische lagen apart schakelen om de warmtegeleiding te beïnvloeden. De pilaar is slechts 80 nanometer breed – 1000 keer kleiner dan de dikte van een mensenhaar.

Wanneer de magnetisatie in de buitenste lagen van de pilaar dezelfde kant op staat, zullen elektronen met dezelfde spinrichting in beide lagen een hogere warmtegeleiding hebben, en dus een hogere temperatuur aannemen. Warmte kan daardoor gemakkelijk van de ene kant naar de andere kant van de pilaar worden getransporteerd. In dat geval is er sprake van een hoge warmtegeleiding.

Als de magnetisatie in de twee lagen tegenovergesteld is, hebben elektronen met een hoge warmtegeleiding in de ene magnetische laag, juist een tegenovergestelde spinrichting ten opzichte van de elektronen in de tweede magnetische laag. Hierdoor is het moeilijker om warmte door de pilaar te transporteren, waardoor de warmtegeleiding is onderdrukt. Op die manier is de hoeveelheid warmte die door de pilaar stroomt aan en uit te schakelen.

Spin-caloritronica

De resultaten zijn een volgende stap in de 'spin-caloritronica', een jong onderzoeksgebied dat de rol van het magnetisch moment van elektronen in warmtetransport bestudeert.

Omdat de schakelaars zo onvoorstelbaar klein zijn, kunnen we ze gebruiken om heel lokaal de warmtetoevoer of –afvoer te regelen. Dat kan goed van pas komen in chips die soms op gelokaliseerde hotspots veel te heet worden
.

Informatie: prof. dr. ir. Bart van Wees

(a) Op deze afbeelding, gemaakt met een rasterelektronenmicroscoop, bevindt de nanopilaar zich op de plek van de gestippelde rechthoek. Een platina verwarmingselement (de achterste van de drie grijskleurige strips) veroorzaakt een temperatuurverschil. Een nano-thermometer, bestaande uit een nikkel-koper legering (paars) en platina (voorste grijze strip), detecteert het verschil in warmtegeleiding. De middelste grijze strip is een platina contact. De resterende gekleurde delen zijn gouden contacten. (b) Schematische voorstelling van de spintemperaturen in de nanopilaar. Links is de situatie geschetst wanneer de magnetisaties in de twee magnetische lagen anti-parallel zijn. De temperatuur van de spins aan de verwarmde kant (boven) is hoger dan die van de tweede magnetische laag aan de koele kant (beneden) – een temperatuurverschil bouwt op tussen de twee verschillende spinrichtingen. Aangezien spins moeilijk een magnetisch materiaal kunnen ingaan waar de magnetisatie tegenovergesteld staat aan de spinrichting, is de warmtegeleiding in de anti-parallele situatie moeilijker. In de parallele situatie (rechts) kunnen warme elektronen juist makkelijk van boven naar beneden bewegen, terwijl koude elektronen van beneden naar boven gaan. Dit zorgt voor een hoge warmtegeleiding.
(a) Op deze afbeelding, gemaakt met een rasterelektronenmicroscoop, bevindt de nanopilaar zich op de plek van de gestippelde rechthoek. Een platina verwarmingselement (de achterste van de drie grijskleurige strips) veroorzaakt een temperatuurverschil. Een nano-thermometer, bestaande uit een nikkel-koper legering (paars) en platina (voorste grijze strip), detecteert het verschil in warmtegeleiding. De middelste grijze strip is een platina contact. De resterende gekleurde delen zijn gouden contacten. (b) Schematische voorstelling van de spintemperaturen in de nanopilaar. Links is de situatie geschetst wanneer de magnetisaties in de twee magnetische lagen anti-parallel zijn. De temperatuur van de spins aan de verwarmde kant (boven) is hoger dan die van de tweede magnetische laag aan de koele kant (beneden) – een temperatuurverschil bouwt op tussen de twee verschillende spinrichtingen. Aangezien spins moeilijk een magnetisch materiaal kunnen ingaan waar de magnetisatie tegenovergesteld staat aan de spinrichting, is de warmtegeleiding in de anti-parallele situatie moeilijker. In de parallele situatie (rechts) kunnen warme elektronen juist makkelijk van boven naar beneden bewegen, terwijl koude elektronen van beneden naar boven gaan. Dit zorgt voor een hoge warmtegeleiding.
Laatst gewijzigd:15 september 2017 15:32
printView this page in: English

Meer nieuws

  • 20 februari 2019

    De ongebruikelijke erfelijkheid van telomeerlengte

    Bij de overerving van telomeerlengte spelen epigenetische effecten een belangrijke rol. Zeker een derde van de overerving is epigenetisch van aard. Dat concluderen Groninger onderzoekers, die voor het eerst een schatting van dit fenomeen konden maken...

  • 19 februari 2019

    Nanoporiën maken massaspectrometer voor eiwitten mogelijk

    RUG-onderzoekers hebben nanoporiën ontwikkeld waarmee ze direct de massa van kleine eiwitjes (peptiden) kunnen meten. Een artikel over deze ontdekking is op 19 februari jl. gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

  • 15 februari 2019

    Groningse ingenieurs studeren straks af in Drachten

    De Rijksuniversiteit Groningen (RUG) start in het collegejaar 2019-2020 met een masteropleiding Mechanical Engineering; oftewel werktuigbouwkunde. Prof. dr. ir. Jacquelien Scherpen, voorzitter van het Groningen Engineering Center (GEC) noemde het eerder...