第一作者：Cody Friesen
通訊作者：Stefan Krause
通訊單位：University of Hamburg
研究亮點(diǎn)：
1. 在原子尺度解析了隧道磁塞貝克效應(yīng)。
2. 實(shí)現(xiàn)了一種廢熱驅(qū)動的自旋探測器。
電子器件中的廢熱問題
自旋電子器件中的有源元件必須按比例縮小到越來越小的尺寸，從而產(chǎn)生更高的電荷和自旋電流密度。同時，產(chǎn)生大量對電器件有害的廢熱。近來，實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，廢熱未來可以用于節(jié)能設(shè)備中，譬如利用廢熱發(fā)電，傳感或計算。
什么是塞貝克效應(yīng)
談到熱電轉(zhuǎn)換，就不得不提到塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)又稱為“第一熱電效應(yīng)”，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。自旋電子器件兩端會產(chǎn)生溫差，因此可基于塞貝克效應(yīng)產(chǎn)生電壓。如果在磁隧道結(jié)（兩個被絕緣隧道勢壘隔開的磁化層）上施加熱梯度，產(chǎn)生的電壓的大小取決于兩個磁化層中磁化的相對取向。
本研究擬探索的問題
目前，這種磁-塞貝克隧道效應(yīng)的傳輸測量通常僅顯示器件上的平均信號，無法獲取原子尺度精確的信號，不利于自旋電子器件熱電轉(zhuǎn)換的進(jìn)一步發(fā)展。
成果簡介
有鑒于此，德國漢堡大學(xué)物理系Cody Friesen和Stefan Krause團(tuán)隊在成功在原子尺度解析了隧道磁塞貝克效應(yīng)，提出了一種廢熱驅(qū)動的自旋探測器。
圖1. 實(shí)驗(yàn)方法
要點(diǎn)1：原子尺度信號測量
1. 溫度梯度驅(qū)動下，自旋極化電子在磁隧道結(jié)中的遂穿是熱控制電子自旋運(yùn)輸領(lǐng)域的基本過程。作者在極低溫度下將磁性探針尖端靠近磁性樣品，以真空作為遂穿勢壘，研究了隧道磁塞貝克效應(yīng)在原子尺度下的細(xì)節(jié)。在加熱尖端、測量磁隧道結(jié)熱電勢的同時，對樣品的自旋紋理進(jìn)行掃描，獲得了自旋分辨的塞貝克系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在原子級橫向分辨率下的成像。
圖2. 隧道磁塞貝克系數(shù)的確定
要點(diǎn)2：原子尺度信號測量
在此基礎(chǔ)上，作者提出了一種純廢熱驅(qū)動的自旋探測器。他們利用隧道磁塞貝克效應(yīng)將自旋信息轉(zhuǎn)換為可供數(shù)據(jù)處理的電壓。這種讀取元件可以深深地嵌入三維集成電路，不需要使用電源，也不會產(chǎn)生廢熱。
小結(jié)
總之，這項(xiàng)成果使高效自旋電子器件能夠回收廢熱，驅(qū)動原子級讀取元件，以檢測單個磁疇，疇壁或晶體，為節(jié)能電子器件的發(fā)展提供了更多新的思路。
參考文獻(xiàn)：
Friesen C, Osterhage H, Friedlein J, et al. Magneto-Seebeck tunneling on the atomic scale. Science, 2019.
http://science.sciencemag.org/content/363/6431/1065
