手性声子无需磁性材料即可产生自旋电流

来自北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员使用手性声子将浪费的热量转化为自旋信息——不需要磁性材料。这一发现可能会导致新型更便宜、更节能的自旋电子设备用于从计算存储器到电网的各种应用。

自旋电子设备是利用电子自旋而不是其电荷来产生用于数据存储、通信和计算的电流的电子设备。自旋热电子器件——之所以这样称呼是因为它们利用热能产生自旋电流——很有前途，因为它们可以将废热转化为自旋信息，这使得它们非常节能。然而，目前的自旋热电子器件必须包含磁性材料才能产生和控制电子的自旋。

“我们使用手性声子在室温下产生自旋电流，而不需要磁性材料，”北卡罗来纳州立大学物理学副教授兼有机和碳电子实验室(ORaCEL)成员DaliSun说。

“通过对包含手性声子的材料应用热梯度，您可以引导它们的角动量并产生和控制自旋电流，”北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授兼ORaCEL成员JunLiu说。

刘和孙都是该研究的共同通讯作者，该研究发表在NatureMaterials上。

手性声子是在能量源(在这种情况下为热)激发下沿圆形方向运动的原子团。当声子穿过材料时，它们会通过材料传播圆周运动或角动量。角动量作为自旋的来源，手性决定自旋的方向。

“手性材料是不能叠加在它们的镜像上的材料，”Sun说。“想想你的右手和左手——它们是手性的。你不能把左手手套戴在右手上，反之亦然。这种‘惯用手’使我们能够控制旋转方向，这很重要，如果你想用这些设备来存储记忆。”

研究人员通过使用热梯度向系统引入热量，在二维层状杂化有机-无机钙钛矿中展示了手性声子产生的自旋电流。

“需要一个梯度，因为材料中的温差——从热到冷——会驱动手性声子通过它的运动，”刘说。“热梯度还使我们能够利用捕获的废热来产生自旋电流。”

研究人员希望这项工作将导致自旋电子设备的生产成本更低，并且可以用于更广泛的应用。

“在这些设备中消除对磁性的需求意味着你在获取潜在材料方面打开了大门，”刘说。“这也意味着成本效益的提高。”

“使用废热而不是电信号来产生自旋电流使系统更加节能——而且这些设备可以在室温下运行，”Sun说。“这可能会导致自旋电子设备的种类比我们目前可用的种类多得多。”