ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ НОВЫХ УСТРОЙСТВ СПИНТРОНИКИ НА ОСНОВЕ СПИНОВОГО ЭФФЕКТА ЗЕЕБЕКА

Аннаовезова Эльвира Байрамовна, Туджанова Ирина Ниязовна

Во второй половине ХХ века произошла технологическая революция, ставшая возможной благодаря бурному развитию твердотельной микроэлектроники. Но в любых устройствах твердотельная микроэлектроника, в основном, использует только одно свойство электрона – его заряд. Но электрон имеет еще одну, квантово-механическую характеристику – собственный угловой момент, или спин, и связанный с ним магнитный момент. В последние годы твердотельная электроника вышла на новый уровень, благодаря развитию нанотехнологий. Появился новый раздел квантовой электроники, получивший название "спинтроника" (spintronics – от spin transport electronics или spin-based electronics), занимающийся изучением спинового токопереноса (спин-поляризованного транспорта) в твердотельных веществах.

Спинтроника исследует магнитные и магнитооптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах нанометрового размера. Появилась возможность создания целого ряда принципиально новых приборов, работающих на основе этих явлений.

В результате нескольких энергетических кризисов, случившихся в последние десятилетия ХХ столетия, человечество задумалось о более широком внедрении альтернативных источников энергии. Среди таких источников заметное место занимают термоэлектрогенераторы – устройства, позволяющие непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Они находят широкое применение там, где нужны небольшие мобильные источники, а также на космических аппаратах.

Термоэлектрогенераторы используют эффект Зеебека, открытый еще в XVIII веке. Он заключается в возникновении электрического напряжения в цепи из последовательно соединенных разнородных металлов, контакты между которыми находятся при разных температурах. Причиной эффекта Зеебека являются, во первых, температурная зависимость уровня Ферми контактирующих проводников, во вторых, диффузия носителей заряда от горячего конца к холодному и, наконец, увлечение электронов фононами, которые движутся в сторону, противоположную температурному градиенту.

В 2008 году в журнале Nature была опубликована статья японских ученых, в которой описан, так называемый, спиновый эффект Зеебека [4]. Так как в металлическом магните (в данном эксперименте это была 20-нанометровая пленка пермаллоя Ni₈₁Fe₁₉) электроны проводимости с противоположно направленными спинами имеют различную плотность и скорости рассеивания, было выдвинуто предположение, что они имеют и разные коэффициенты Зеебека. То есть магнит можно рассматривать как два проводника с различными коэффициентами Зеебека. Такой магнит, находящийся при градиенте температуры, является в сущности аналогом термопары. В нем будет индуцироваться спиновый ток, который, как показано в работе, может распространяться на сравнительно большие расстояния.

В материалах конференции "Спинтроника", состоявшейся в сентябре 2013 года имеется сообщение о спиновом туннелировании Зеебека [1], которое является аналогом спин-поляризованного туннелирования, и возникает из-за спиновой зависимости коэффициента Зеебека при контактном магнитном туннелировании. В туннельном переходе между ферромагнитным и не магнитным электродами при прохождении через контакт спинового тока возникает разность температур. В докладе показано как можно использовать для накопления спинов в кремнии управление потоком тепла через магнитный туннельный контакт без туннельного тока зарядов. Спиновое туннелирование Зеебека может быть использовано для превращения выделяемого тепла в полезный тепловой спиновый ток, который добавляется или заменяет электрический спиновый ток, и, вследствие этого, улучшает энергетическую эффективность спинтронных устройств и технологий.

В октябре этого года в Интернете появилось сообщение, что швейцарские ученые из Федерального технологического института в Лозанне впервые очевидно наблюдали генерирование магнитного поля в электрическом изоляторе с использованием нагревания, вместо приложения электрического поля [3]. Это явление можно назвать термомагнетизмом. Тогда как в проводнике электроны могут свободно передвигаться под действием температурного градиента, изолятор мешает электронам свободно двигаться. Вместо этого разница температур воздействует на ориентацию спинов электронов, в результате чего при определенных условиях генерируется магнитное поле, перпендикулярное направлению температурного градиента. Также было установлено, что интенсивность этого термомагнитного поля прямо пропорциональна температурному градиенту вдоль изолятора.

При изучении распространения волн намагниченности вдоль материала изолятора (иттриум-железистого граната) было обнаружено, что направление распространения магнитных волн вдоль изолятора влияет на степень потерь намагниченности – явление, названное магнитным затуханием. Когда направление волн совпадает с ориентацией температурного градиента вдоль изолятора, магнитное затухание уменьшается, когда они распространяются в противоположных направлениях, магнитное затухание увеличивается.

 Даже еще на этой ранней стадии исследований, можно предположить, что это открытие представляет новые возможности для адресации ферромагнитного затухания, и даст важный вклад в разработку новых твердотельных приборов, магнито-туннельных транзисторов и спинтронных устройств, которые основываются в большей степени на спинах электронов, чем на движении их зарядов при передаче сигнала.

В 2012 году в университете штата Огайо (США) нашли метод, способный усилить спиновый эффект Зеебека в тысячи раз [2]. Главная проблема существующих термоэлектрогенераторов, работающих на эффекте Зеебека, заключается в том, что разность температур, которую можно создать в естественных условиях, слишком мала для получения значимого количества энергии, поэтому коэффициент полезного действия таких устройств очень мал. То же самое справедливо и для спинового эффекта.

Исследователи получили спиновый эффект Зеебека в немагнитном полупроводнике (антимонид индия), помещенном во внешнее магнитное поле (3 Тл) при температурах от 2 до 20 К. При этом возникает "гигантский спиновый эффект Зеебека". Так его назвали потому, что обычно на градус разницы температур на концах термопары возникает напряжение в несколько микровольт, а в данных экспериментах было получено несколько милливольт, то есть увеличение в 1000 раз. Мало того, утверждается, что мощность, снимаемая с термопары, поднялась в миллион раз.

Теоретического объяснения этого эффекта пока не существует. Предполагается, что наблюдается экстремальный случай фононного увлечения электронов. В результате столкновений с электронами фононы увлекают их за собой, в результате на холодном конце образца накапливается отрицательный заряд, а на горячем положительный. Атомы полупроводника заставляют электроны закручиваться, в результате их движение стабилизируется. Получается эффект, подобный закручиванию пули в нарезном стволе.

Пока что новый эффект был зафиксирован только в InSb, легированном различными примесями. Однако исследователи предполагают, что этот эффект возможен и в других полупроводниках и даже при несколько более высокой температуре.

В дальнейшем обнаруженный эффект может найти применение во многих областях техники, например в системах охлаждения. Отсутствие движущихся частей в термомагнитных устройствах позволяет им устойчиво работать многие годы. Возможно их смогут применять даже для подпитки компьютеров от их собственного тепла, которое в современных моделях бесполезно рассеивается в пространстве, и снижает эффективность компьютеров.

Но даже сейчас этот эффект мог бы найти применение в космических аппаратах, которые работают при температурах ниже 20 К.

В настоящее время ученые многих стран работают над исследованием спинового и гигантского спинового эффектов Зеебека. И можно надеяться, что уже весьма скоро появятся устройства, работающие на этих эффектах.

Списоклитературы:

1. R. Jansen; J. C. Le Breton; A. M. Deac; H. Saito and S. Yuasa "Thermal creation of a spin current by Seebeck spin tunneling ", Proc. SPIE8813, Spintronics VI, 88130A (September 26, 2013); doi:10.1117/12.2022816;http://dx.doi.org/10.1117/12.2022816.

2. Jaworski C.M., Myers R.C., Johnston-Halperin E., Heremans J.P. Giant spin Seebeck effect in a non-magnetic material// Nature. 2012. V.487 (7406):210.

3. Magnetic field created using heat in first magnetic Seebeck effect demo. http://www.electronics-cooling.com/2013/10/first-magnetic-seebeck-effect-demo/

4. Uchida K., Takahashi S., Harii K., at al. Observation of the spin Seebeck effect// Nature. 2008. V.455. P.778-781.