Fonon Kiral Membuat Arus Putaran tanpa Membutuhkan Bahan Magnetik
Temuan ini dapat mengarah pada kelas baru perangkat spintronic yang lebih murah dan hemat energi untuk digunakan dalam aplikasi mulai dari memori komputasi hingga jaringan listrik.
Perangkat spintronic adalah perangkat elektronik yang memanfaatkan putaran elektron, bukan muatannya, untuk menghasilkan arus yang digunakan untuk penyimpanan data, komunikasi, dan komputasi.
Perangkat spin caloritronic—disebut demikian karena menggunakan energi panas untuk menghasilkan arus spin—menjanjikan karena dapat mengubah limbah panas menjadi informasi spin, yang membuatnya sangat hemat energi. Namun, perangkat kaloritronik putaran saat ini harus mengandung bahan magnetik untuk membuat dan mengontrol putaran elektron.
"Kami menggunakan fonon kiral untuk membuat arus putaran pada suhu kamar tanpa memerlukan bahan magnet," kata Dali Sun, profesor fisika dan anggota Laboratorium Elektronik Organik dan Karbon (ORaCEL) di North Carolina State University.
"Dengan menerapkan gradien termal ke bahan yang mengandung fonon kiral, Anda dapat mengarahkan momentum sudutnya dan membuat serta mengontrol arus putaran," kata Jun Liu, profesor teknik mesin dan kedirgantaraan di NC State dan anggota ORaCEL.
Baik Liu dan Sun adalah koresponden penulis penelitian, yang muncul di Bahan Alam.
Fonon kiral adalah kelompok atom yang bergerak dalam arah melingkar ketika dieksitasi oleh sumber energi—dalam hal ini, panas. Saat fonon bergerak melalui suatu material, mereka menyebarkan gerakan melingkar, atau momentum sudut, melaluinya. Momentum sudut berfungsi sebagai sumber putaran, dan kiralitas menentukan arah putaran.
"Bahan kiral adalah bahan yang tidak dapat ditumpangkan pada bayangan cerminnya," kata Sun. "Pikirkan tangan kanan dan kiri Anda—mereka adalah kiral. Anda tidak dapat meletakkan sarung tangan kidal di tangan kanan, atau sebaliknya. 'Tangan tangan' inilah yang memungkinkan kita untuk mengontrol arah putaran, yang penting jika Anda ingin menggunakan perangkat ini untuk penyimpanan memori."
Para peneliti mendemonstrasikan arus putaran kiral yang dihasilkan fonon dalam perovskit organik-anorganik hibrida berlapis dua dimensi dengan menggunakan gradien termal untuk memasukkan panas ke dalam sistem.
"Gradien diperlukan karena perbedaan temperatur dalam material—dari panas ke dingin—mendorong gerakan kiral fonon melewatinya," kata Liu. " Gradien termal juga memungkinkan kita menggunakan panas limbah yang ditangkap untuk menghasilkan arus putaran."
Para peneliti berharap bahwa pekerjaan tersebut akan menghasilkan perangkat spintronic yang lebih murah untuk diproduksi dan dapat digunakan dalam berbagai aplikasi yang lebih luas.
"Menghilangkan kebutuhan akan magnet di perangkat ini berarti Anda membuka pintu lebar-lebar dalam hal akses ke material potensial," kata Liu. "Dan itu juga berarti peningkatan efektivitas biaya."
"Menggunakan limbah panas daripada sinyal listrik untuk menghasilkan arus putaran membuat sistem hemat energi — dan perangkat dapat beroperasi pada suhu kamar," kata Sun. "Hal ini dapat menghasilkan variasi perangkat spintronic yang jauh lebih luas daripada yang kami miliki saat ini."
Sumber jurnal: Lifa Zhang, Chiral-phonon-activated spin Seebeck effect, Nature Materials (2023). DOI: 10.1038/s41563-023-01473-9. www.nature.com/articles/s41563-023-01473-9
