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，美國伊利諾伊大學厄巴納香檳分?？茖W家揭示了一種新的物理機制，科學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。相關論文發(fā)表在最近出版的《自然·物理學》上。
研究人員制作了一種多層的金屬自旋閥結構，包含兩個磁層和一個傳熱層。“當熱流通過第一層磁性材料時，會產生電子自旋分離。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。”香檳分校材料科學與工程系主任大衛(wèi)·卡西爾教授說。
“我們利用由超快熱導引起的自旋流來產生自旋轉移力矩（STT）。自旋轉移力矩是一個鐵磁體從導電到磁化的自旋角動量的轉移，讓人們能用自旋流而不是磁場來操控納米磁鐵。”該校材料科學與工程系周博士說。通常情況下，用電流通過磁層才能產生自旋轉移力矩，他們現(xiàn)證明存在一種用強熱流來產生自旋轉移力矩的機制，這一機制主要由自旋依賴的塞貝克效應驅動。塞貝克效應是一種熱電現(xiàn)象，同一電路中兩種不同材料之間的溫度差會產生電壓。自旋依賴的塞貝克效應則是指在一個鐵磁體中自旋電子產生的類似現(xiàn)象。
在金屬自旋閥結構中，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，自旋和熱的耦合產生了新的物理現(xiàn)象，由熱傳輸驅動的自旋轉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，熱發(fā)電機能為深空探測器提供電力。在熱電設備中，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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