科学家揭示新物理机制利用超快热导操控铁磁体的磁化

利用超快热导可操控铁磁体的磁化

科技日报北京6月9日电 （记者常丽君）最近，美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校科学家揭示了一种新的物理机制，科学家可通过这种物理机制用热来操控磁的形成。与传统磁场不同，新机制依赖热能传输，为人们提供了一种在纳米尺度操控磁化作用的新途径。相关论文发表在最近出版的《自然·物理学》上。

据物理学家组织网8日报道，研究人员制作了一种多层的金属自旋阀结构，包含两个磁层和一个传热层。“当热流通过第一层磁性材料时，会产生电子自旋分离。我们的研究就是利用了这一点。利用这种形成磁性双极流的过程，我们能操控第二磁层的方向。”香槟分校材料科学与工程系主任大卫·卡西尔教授说。

“我们利用由超快热导引起的自旋流来产生自旋转移力矩（STT）。自旋转移力矩是一个铁磁体从导电到磁化的自旋角动量的转移，让人们能用自旋流而不是磁场来操控纳米磁铁。”论文第一作者、该校材料科学与工程系博士周江民（音译）说。通常情况下，用电流通过磁层才能产生自旋转移力矩，他们现证明存在一种用强热流来产生自旋转移力矩的机制，这一机制主要由自旋依赖的塞贝克效应驱动。塞贝克效应是一种热电现象，同一电路中两种不同材料之间的温度差会产生电压。自旋依赖的塞贝克效应则是指在一个铁磁体中自旋电子产生的类似现象。

在金属自旋阀结构中，研究人员用皮秒（万亿分之一秒）激光脉冲制造一种强超快热流，对热自旋转移进行了量化。这种热流达到每平方米100GW（吉瓦，意为10亿瓦特），持续约50皮秒。“热驱动自旋流的符号和数值可以通过铁磁层的成分和传热层的厚度来控制。”卡西尔说。

在纳米自旋器件中，自旋和热的耦合产生了新的物理现象，由热传输驱动的自旋转移力矩能为人们提供一种操控局部磁化的新方法。卡西尔说：“用热流分离电子自旋的物理机制与热电偶作用和热发电机有关，热发电机能为深空探测器提供电力。在热电设备中，热流会引起电荷分离，这种电荷分离可用于检测温度，也可用来供电。”

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在中学课本里，磁好像只跟电有关系。实际上，磁现象和声音、热，都能互相影响。目前这是一个吸引不少科学家的热门领域。人们变出磁体，也不光用“摩擦、摩擦”的老办法了，还能用激光精确操纵，让一块小区域磁化。将来我们的家用电器里，会有更精巧复杂的磁体发挥作用。导航、数控等领域因为尖端磁科技而诞生奇妙的新应用，也大有可能。