(Phys.org) —Investigadores de la Fundación FOM, la Universidad de Groningen, La Universidad de Tecnología de Delft y la Universidad de Tohoku en Japón han diseñado un elemento de enfriamiento minúsculo que utiliza ondas giratorias para transportar el calor en los aislantes eléctricos. El elemento de enfriamiento podría usarse para disipar el calor en los componentes eléctricos cada vez más pequeños de los chips de computadora. Los investigadores publicaron su diseño en línea el 7 de julio de 2014 en Cartas de revisión física .

El funcionamiento del elemento refrigerante se basa en el giro de los electrones. El giro es una propiedad fundamental de un electrón que se corresponde con su momento magnético (la fuerza y ​​dirección de su campo magnético). Aunque los físicos han utilizado antes el giro con fines de enfriamiento, esta es la primera vez que lo han hecho con éxito en materiales aislantes.

Transporte de calor a través de un nanopilar

En investigaciones anteriores, los científicos dejaron fluir una corriente de electrones a través de metales magnéticos. En un campo magnético, los espines de estos electrones se alinearán en la misma dirección, es decir, paralelo a la magnetización. Los investigadores enviaron los electrones a través de un pilar que constaba de dos capas magnéticas (con una capa no magnética en el medio). El pilar utilizado era minúsculo, unas mil veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.

Un electrón que comienza en la capa inferior alinea su giro con la dirección de magnetización en esa capa. Posteriormente, el electrón fluye hacia la capa superior. Si la dirección de magnetización es la misma que en la capa inferior, entonces el giro sigue estando orientado en paralelo a la magnetización. Los electrones con una dirección de giro paralela transportan más calor que los electrones con una dirección de giro opuesta. Entonces, en este caso, los electrones aseguran que una gran cantidad de calor se transporte a través de todo el pilar. Si los electrones, sin embargo, encontrar una magnetización en la dirección opuesta en la capa superior, se suprime el transporte de calor. Usando este conocimiento, los investigadores lograron con éxito una diferencia de temperatura medible entre los dos lados del pilar.

Ondas giratorias

Este método no funciona en un aislante eléctrico, un material que no conduce fácilmente electrones. Sin embargo, los investigadores ahora han encontrado un método de enfriamiento que también funciona en materiales aislantes. En la nueva investigación, demostraron que los giros en el límite entre un metal no magnético y un aislante magnético provocan las llamadas ondas de giro que transportan calor hacia o desde el material.

Los investigadores utilizaron un aislante de 200 nanómetros de espesor de granate de itrio-hierro (un mineral) con una capa de platino de 20 por 200 micrómetros en la parte superior. Los electrones pueden fluir fácilmente a través del platino conductor, pero cuando alcanzan el granate aislante no pueden ir más lejos. Sin embargo, el espín de los electrones se transfiere:el momento magnético del electrón influye en el momento magnético (y por lo tanto el espín) de los electrones en el aislante que se encuentran en el límite entre los dos materiales. A través del acoplamiento magnético, este cambio de espín se transfiere posteriormente a los electrones que están situados más lejos del límite. De esta manera, una ola de cambios de giro parece avanzar a través del material. La onda de giro también transfiere calor hacia o desde el límite. Dependiendo de la dirección tanto del giro como de la magnetización en el mineral, por lo tanto, el límite se enfriará o calentará.

Termómetros

Los investigadores colocaron pequeños termómetros altamente sensibles a solo unos micrómetros de distancia del límite y los usaban para detectar las diferencias de temperatura mientras los electrones fluían a través de la tira de platino. Posteriormente, los físicos compararon sus mediciones con la teoría mencionada anteriormente. Las diferencias de temperatura, solo 0,25 milicelsius de tamaño, parecen confirmar la teoría.

Esta investigación fue financiada conjuntamente por la Fundación FOM, NanoLab NL, JSPS, la Deutsche Forschungsgemeinschaft, Beca EU-FET InSpin 612759 y el Instituto Zernike de Materiales Avanzados.