popularyzatorski opis rezultatów projektu

Nr wniosku: 177273, nr raportu: 19685. Kierownik (z rap.): prof. dr hab. czł. koresp. PAN Józef Barnaś
Jednym z bardziej aktualnych problemów nanoelektroniki, a w szczególności nanoelektroniki spinowej jest problem
kontroli stanu magnetycznego przy pomocy metod elektrycznych. Problem ten jest istotny również z punktu widzenia
technik informatycznych, gdyż zmiana orientacji momentu magnetycznego przy pomocy impulsu elektrycznego może być
wykorzystana do zapisu informacji w pamięciach magnetycznych. Warunkiem jest to aby prąd elektryczny był związany
z prądem spinowym, czyli z prądem spinowego momentu pędu. Prąd spinowy zaabsorbowany przez lokalny moment
magnetyczny generuje moment siły mogący zmienić kierunek namagnesowania. Istnieje szereg metod generacji prądu
spinowego przy pomocy pola elektrycznego, jak na przykład spinowy efekt Halla, gdzie w wyniku oddziaływań spinowoorbitalnych pole elektryczne generuje w układzie niemagnetycznym prąd spinowy płynący prostopadle do kierunku pola
magnetycznego.
Okazuje się jednak, że prąd spinowy może powstać również w wyniku różnicy temperatur między dwoma końcami
układu mezoskopowego. Poza tym, gradient temperatury może generować nie tylko prąd spinowy płynący wzdłuż
gradientu temperatury, ale również prąd spinowy płynący prostopadle do tego gradientu jeśli w układzie występują
oddziaływania spinowo-orbitalne. Po odkryciu tego efektu wzrosło istotnie zainteresowanie efektami termicznymi, co
doprowadziło do wyłonienia się w ramach elektroniki spinowej pewnego działu nazywanego spinową kalorytroniką.
Okazało się, że istnieje szereg efektów generowanych gradientem temperatury, które związane są z istnieniem spinu
elektronu i które nie były znane wcześniej. Kalorytronika spinowa ma więc charakter zarówno badań podstawowych jak i
jest jednocześnie atrakcyjna ze względu na duże możliwości aplikacyjne. Projekt badawczy nakierowany był właśnie na
badanie efektów spinowych generowanych gradientem temperatury i wykorzystanie tych efektów do generacji prądu
spinowego. Ponieważ w ogólności prąd spinowy może mieć charakter nie tylko czysto elektronowy (przenoszony przez
ruchliwe nośniki) ale również magnonowy (przenoszony przez fale spinowe w układach ze zlokalizowanymi momentami
magnetycznymi - np w izolatorach magnetycznych), połączenie magnoniki ze spintroniką wymaga więc konwersji
elektronowego prądu spinowego na prąd spinowy natury magnonowej i odwrotnie. Taką konwersję można również
osiągnąć wykorzystując efekty termiczne. Jako przykład takiego 'konwertera' rozważony został, między innymi, czteroterminalowy układ oparty na kropce kwantowej.
Innym ważnym aspektem wykorzystania metod kalorytroniki spinowej jest to, że do generacji prądu spinowego
wykorzystuje się energię rozproszoną w postaci ciepła. A ciepło odgrywa w układach nanoelektroniki dość istotną i
destrukcyjną rolę. Ciepło stwarza też wiele problemów z jego odprowadzeniem. Wykorzystanie tej rozproszonej energii
jest więc kluczowe. Jednym ze spinowych efektów generowanych termicznie jest spinowy efekt Seebecka. Efekt ten jest
spinowym odpowiednikiem dawno znanego efektu Seebecka, którego istotą jest konwersja ciepła na użyteczną energię
elektryczną. W przypadku spinowego efektu Seebecka przy pomocy gradientu temperatury generuje się tzw. napięcie
spinowe. Ważnym kierunkiem badań prowadzonych w ramach projektu były badania tych efektów w różnych
materiałach, między innymi w (i) układach nanoskopowych opartych na złączach zbudowanych z kropek kwantowych
lub molekuł magnetycznych sprzężonych do metalicznych i w ogólności magnetycznych elektrod; (ii) w paskach
materiałów dwuwymiarowych różnego typu, takich jak paski grafenowe czy silikenowe, modyfikowane dodatkowo
różnego typu atomami lub też funkcjonalizowane na brzegach wodorem lub innymi molekułami; (iii) w sztucznie
wytwarzanych zaworach spinowych opartych na układach wielowarstwowych, (iv) w tzw. izolatorach topologicznych,
które przewodzą prąd dzięki stanom krawędziowym lub powierzchniowym, natomiast są izolatorami jeśli wziąć pod
uwagę stany wewnątrz materiału; oraz w układach hybrydowych zawierających nadprzewodzące elementy. Ponadto,
istotnym elementem było poszukiwanie materiałów o dużej efektywności termoelektrycznej, tj. takich które mogłyby
mieć znaczenie praktyczne w elementach spintronicznych opartych na efektach termoelektrycznych, zarówno tych
konwencjonalnych jak i spinowych. Z tego punktu widzenia paski grafenopodobne wydają się być szczególnie
obiecujące, gdyż ich własności termoelektryczne jak i magnetyczne silnie zależą od funkcjonalizacji, a współczynnik
wydajności w zależności od położenia poziomu chemicznego może być dość wysoki (ZT rzędu 20).