Доказательство существования термомагнетизма
Градиент температур вдоль проводника может создавать электрическое поле. Это явление, называемое эффектом Зеебека, лежит в основе термоэлектричества, уже сейчас этот эффект используется для питания космических зондов и в термоэлектрических генераторах, в будушем он может быть применён в электростанциях, наручных часах и в микроэлектронике. Теоретически существует возможность создавать и магнитное поле, используя разность температур вдоль электрического изолятора (термомагнетизм). Это явление называется магнитный эффект Зеебека, и имеет огромное значение для будущего электроных устройств, особенно для твердотельных устройств и магнитно-туннельных транзисторов. Недавно в Physical Review Letters в разделе "Editors' Suggestion" появилась статья, где ученые из EPFL впервые предсказали и экспериментально проверили существование магнитного эффекта Зеебека.
Термоэлектричество и термомагнетизм
Эффекта Зеебека (термоэлектричество) назван в честь Томаса Иоганна Зеебека, который впервые наблюдал его в 1821 году, заключается в том, что электроны движутся в проводнике под воздействием градиента температуры. В среднем электроны из горячей области проводника имеют больше кинетической энергии и следовательно двигаются на более высоких скоростях, чем электроны в холодной области. Это заставляет их диффундировать от горячей к холодной области под воздействием электрического поля, которое прямо пропорциональна градиенту температуры вдоль проводника.
Используя электрический изолятор, а не проводник, исследователи во главе с Jean-Philippe Ansermet в EPFL показали, что магнитный эффект Зеебека также существует. Поскольку в изоляторе электроны неподвижны, градиент температуры не приводит к их диффузии. Вместо этого, он влияет на другое свойство электронов, которое лежит в основе магнетизма и называется спин.
В изоляторе, градиент температуры приводит к изменению ориентации спинов электронов. При определенных условиях это создает магнитное поле, которое перпендикулярно направлению градиента температуры. Подобно термоэлектричеству описаному выше, интенсивность термомагнитного поля прямо пропорциональна градиенту температуры вдоль изолятора.
Первая демонстрация магнитного эффекта Зеебека
Использовав известный полупроводник, называемый ЖИГ (железо-иттриевый гранат), один из авторов работы Antonio Vetrò рассмотрел распространение волн намагниченности вдоль него. Он обнаружил, что направление спиновых волн, распространяющихся вдоль изолятора, влияет на затухание волны намагниченности - это явление называется магнитным демпфированием. Когда направление волн соответствует ориентации градиента температуры вдоль образца ЖИГ магнитные потери меньше, чем когда волны направлены противоположно градиенту температуры.
Качественный результат эксперимента
Эта работа открывает новые подходы для решения задачи магнитных потерь. Она может иметь огромное влияние на будущие устройства на основе спинтроники (Нобелевская премия 2007), новой технологической области, которая предлагает альтернативу традиционной электронике. В устройствах спинтроники, передача сигнала зависит от спина электронов, а не их заряда и движения.