Sóng spin mang năng lượng từ lạnh sang nóng

Thông thường nhiệt truyền từ nóng sang lạnh, nhưng nay các nhà vật lí ở Nhật Bản và Đức vừa chứng minh được rằng sóng spin có thể đảo dòng truyền ngược lại. Đội khoa học đã chiếu vi sóng vào một đầu của một tinh thể, thay vì nóng lên thì đầu đó vẫn nguội. Trong khi đó, cách một khoảng nhất định, ở đầu bên kia của tinh thể, nhiệt độ lại tăng lên – với nhiệt được truyền từ đầu nguội sang đầu nóng bởi sóng spin. Đội nghiên cứu tin rằng các kết quả trên có thể đưa đến sự phát triển những dụng cụ mới sử dụng nhiệt và spin để lưu trữ và xử lí thông tin.

Nhiệt điện tử học spin (spin caloritronics) là một ngành điện tử học spin (spintronics) mới ra đời nghiên cứu sự tương tác giữa nhiệt, điện tích và spin. Hứng thú nghiên cứu được kích thích bởi những khám phá trong thời gian gần đây. Ví dụ, vào năm 2008, các nhà nghiên cứu đứng đầu là Kenichi Uchida, khi ấy làm việc tại trường Đại học Keio ở Nhật Bản, đã báo cáo rằng việc đặt một nam châm kim loại vào một gradient nhiệt độ có thể tạo ra một “dòng spin” thuần khiết – một dòng spin electron mà không chuyển động tập thể của các electron.

Kim loại nóng đỏ. (Ảnh: iStockphoto/tomonikon)

Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu trong nhóm trên – nay làm việc tại Viện Nghiên cứu Vật liệu tại Đại học Tohuku – đã chứng minh hiệu ứng nghịch trong một tinh thể ngọc hồng lựu yttrium-sắt. Vật liệu được đặt trong một từ trường và người ta tạo một dòng spin chạy qua nó. Chiếu vi sóng vào phía dưới của mẫu. Vi sóng bình thường sẽ kích thích các dao động nhiệt, chúng sẽ làm tăng nhiệt độ ở phía dưới của tinh thể. Tuy nhiên, khi vi sóng thuộc một ngưỡng tần số nhất định, phần lớn năng lượng bị biến đổi thành dao động của các spin thẳng hàng của lớp bề mặt gọi là sóng Damon–Eshbach. Đội nghiên cứu tìm thấy những sóng spin này có khả năng mang nhiều năng lượng hấp thụ từ đầu này của tinh thể đến đầu kia.

Tuy nhiên, những sóng này xuất hiện ở phía trên lẫn phía dưới của tinh thể, và sóng ở phía trên truyền theo hướng ngược lại. Như vậy, năng lượng truyền tới mặt dưới của tinh thể sẽ được mang trở lại lên phía trên – ngăn không cho nhiệt chạy theo chỉ một chiều. Để ngăn cản điều này, các nhà nghiên cứu phải đảm bảo rằng sóng spin “bị tắt” phần lớn năng lượng của chúng tại đầu kia dưới dạng nhiệt – và phản xạ trở lại đầu bị vi sóng làm nóng với năng lượng rất nhỏ. Bạn hãy hình dung nó giống như một băng tải hàng hóa với nhân viên chuyển hàng ở một đầu và hành khách dỡ hàng ở đầu kia – một vài túi hành lí chưa rõ của ai chạy trở về phía nhân viên chuyển hàng, nhưng dòng hành lí nói chung là theo một chiều.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một băng tải như thế sử dụng một tinh thể tương đối dày. Trong những mẫu như thế, sóng spin khó khăn mới truyền qua nguyên khối để đi từ mặt dưới lên mặt trên của tinh thể. Phần lớn năng lượng sóng spin bị mất trong mạng tinh thể dưới dạng phonon, làm cho phía đối diện nóng hơn phía bị vi sóng chiếu vào. Ngọc hồng lưu yttrium là một chất dẫn nhiệt kém, nên các phonon chỉ bị khuếch tán từ từ ra khỏi nơi chúng được sinh ra, làm tăng thêm hiệu ứng.

Daniel Stancil, một kĩ sư điện và kĩ sư máy tính tại trường Đại học Bắc Carolina, cho biết đa số các thí nghiệm với sóng spin (ví dụ như các thí nghiệm trong lí thuyết thông tin) được thực hiện với các màng mỏng để ngăn sự mất mát năng lượng thành các phonon mạng. “Đây là một cơ chế mới lạ để truyền năng lượng từ chỗ này sang chỗ khác và rồi làm đầu kia nóng lên,” ông nói. Tuy nhiên, ông cảm thấy hoài nghi những ứng dụng trong thời gian ngắn trước mắt. “Nếu tôi có một transistor hay một mạch điện tử nào đó đang sản sinh rất nhiều nhiệt, rốt cuộc tôi chẳng rõ là làm thế nào bạn đưa cái gì đó khác vào đó để hấp thu lượng nhiệt đó, chuyển hóa nó thành sóng spin và truyền nó ra ngoài,” ông nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Materials.

Nguồn: physicsworld.com