皮秒激光的快速發(fā)展，給工業(yè)加工增添了一道曙光。最近，美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納香檳分校科學(xué)家揭示了一種新的物理機制，科學(xué)家可通過這種物理機制用熱來操控磁的形成。與傳統(tǒng)磁場不同，新機制依賴熱能傳輸，為人們提供了一種在納米尺度操控磁化作用的新途徑。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《自然·物理學(xué)》上。
研究人員制作了一種多層的金屬自旋閥結(jié)構(gòu)，包含兩個磁層和一個傳熱層。“當(dāng)熱流通過第一層磁性材料時，會產(chǎn)生電子自旋分離。我們的研究就是利用了這一點。利用這種形成磁性雙極流的過程，我們能操控第二磁層的方向。”香檳分校材料科學(xué)與工程系主任大衛(wèi)·卡西爾教授說。
“我們利用由超快熱導(dǎo)引起的自旋流來產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）。自旋轉(zhuǎn)移力矩是一個鐵磁體從導(dǎo)電到磁化的自旋角動量的轉(zhuǎn)移，讓人們能用自旋流而不是磁場來操控納米磁鐵。”該校材料科學(xué)與工程系周博士說。通常情況下，用電流通過磁層才能產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩，他們現(xiàn)證明存在一種用強熱流來產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩的機制，這一機制主要由自旋依賴的塞貝克效應(yīng)驅(qū)動。塞貝克效應(yīng)是一種熱電現(xiàn)象，同一電路中兩種不同材料之間的溫度差會產(chǎn)生電壓。自旋依賴的塞貝克效應(yīng)則是指在一個鐵磁體中自旋電子產(chǎn)生的類似現(xiàn)象。
在金屬自旋閥結(jié)構(gòu)中，研究人員用皮秒（萬億分之一秒）激光脈沖制造一種強超快熱流，對熱自旋轉(zhuǎn)移進行了量化。這種熱流達到每平方米100GW（10億瓦特），持續(xù)約50皮秒。“熱驅(qū)動自旋流的符號和數(shù)值可以通過鐵磁層的成分和傳熱層的厚度來控制。”卡西爾說。
在納米自旋器件中，自旋和熱的耦合產(chǎn)生了新的物理現(xiàn)象，由熱傳輸驅(qū)動的自旋轉(zhuǎn)移力矩能為人們提供一種操控局部磁化的新方法。卡西爾說：“用熱流分離電子自旋的物理機制與熱電偶作用和熱發(fā)電機有關(guān)，熱發(fā)電機能為深空探測器提供電力。在熱電設(shè)備中，熱流會引起電荷分離，這種電荷分離可用于檢測溫度，也可用來供電。”
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