키랄 포논은 자성 재료 없이 스핀 전류를 생성합니다.

노스캐롤라이나 주립대학교와 채플힐에 있는 노스캐롤라이나 대학교의 연구원들은 키랄 포논을 사용하여 자성 물질 없이도 낭비되는 열을 스핀 정보로 변환했습니다. 이 발견은 계산 메모리에서 전력망에 이르는 응용 분야에 사용할 수 있는 저렴하고 에너지 효율적인 스핀트로닉 장치의 새로운 종류로 이어질 수 있습니다.

스핀트로닉 장치는 전자의 전하가 아닌 스핀을 활용하여 데이터 저장, 통신 및 컴퓨팅에 사용되는 전류를 생성하는 전자 장치입니다. 스핀 열량전자 장치(스핀 전류를 생성하기 위해 열 에너지를 사용하기 때문에 소위)는 폐열을 스핀 정보로 변환할 수 있어 에너지 효율이 매우 높기 때문에 유망합니다. 그러나 현재의 스핀 열량전자 장치는 전자의 스핀을 생성하고 제어하기 위해 자성 물질을 포함해야 합니다.

노스 캐롤라이나 주립 대학의 ORaCEL(Organic and Carbon Electronics Lab) 회원이자 물리학 부교수인 Dali Sun은 "우리는 자성 물질 없이 실온에서 스핀 전류를 생성하기 위해 키랄 포논을 사용했습니다."라고 말했습니다.

"키랄 포논을 포함하는 물질에 열 구배를 적용함으로써 각운동량을 지시하고 스핀 전류를 생성 및 제어할 수 있습니다." NC State의 기계 및 항공우주 공학 부교수이자 ORaCEL 회원인 Jun Liu는 말합니다.

Liu와 Sun은 모두 Nature Materials에 게재된 연구의 공동 교신저자입니다.

키랄 포논은 에너지원(이 경우 열)에 의해 자극될 때 원형 방향으로 움직이는 원자 그룹입니다. 포논이 물질을 통해 이동할 때 원형 운동, 즉 각운동량을 물질을 통해 전파합니다. 각운동량은 스핀의 원인이 되며 키랄성은 스핀의 방향을 결정합니다.

“카이랄 재료는 거울상 위에 겹쳐질 수 없는 재료입니다.”라고 Sun은 말합니다. “오른손과 왼손을 생각해 보세요. 키랄성입니다. 왼손잡이용 장갑을 오른손에 끼울 수 없으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이 '손잡이'는 회전 방향을 제어할 수 있게 해주며, 이는 메모리 저장을 위해 이러한 장치를 사용하려는 경우 중요합니다.”

연구진은 열 구배를 사용하여 시스템에 열을 도입함으로써 2차원 층상 하이브리드 유기-무기 페로브스카이트에서 키랄 포논 생성 스핀 전류를 시연했습니다.

Liu는 "재료의 온도 차이(뜨거운 것에서 차가운 것까지)가 이를 통해 키랄 포논의 움직임을 유도하기 때문에 기울기가 필요합니다"라고 말했습니다. "열 구배를 통해 포획된 폐열을 사용하여 스핀 전류를 생성할 수도 있습니다."

연구원들은 이 연구가 생산 비용이 더 저렴하고 더 다양한 응용 분야에 사용될 수 있는 스핀트로닉 장치로 이어질 수 있기를 바라고 있습니다.

Liu는 “이러한 장치에서 자성의 필요성을 제거한다는 것은 잠재적인 물질에 대한 접근 측면에서 문을 활짝 열어준다는 것을 의미합니다.”라고 말했습니다. "이는 또한 비용 효율성이 향상된다는 것을 의미합니다."

"스핀 전류를 생성하기 위해 전기 신호 대신 폐열을 사용하면 시스템의 에너지 효율성이 향상되며 장치는 실온에서 작동할 수 있습니다."라고 Sun은 말합니다. "이것은 우리가 현재 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 다양한 스핀트로닉 장치로 이어질 수 있습니다."

이 연구는 국립과학재단(National Science Foundation)과 미국 에너지부의 지원을 받았습니다. 채플힐 소재 노스캐롤라이나 대학의 화학 교수이자 ORaCEL 회원인 웨이 유(Wei You)도 이번 연구의 공동 교신저자이다.

-피크-

편집자 참고 사항:초록은 다음과 같습니다.

“키랄-포논 활성화 스핀 제벡 효과”

DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9

저자: 김경훈, Eric Vetter, Cong Yang, Ziqi Wang, Rui Sun, Andrew Comstock, Dali Sun, Jun Liu, 노스캐롤라이나 주립대학교, Liang Yan, Wei You, University of North Carolina at Chapel Hill, Yu Yang, Xiao Li , Jun Zhou, Lifa Zhang, Nanjing Normal University, Nanjing, China 게재일: 2023년 2월 13일 Nature Materials