[論文レビュー] Anisotropic Thermal Magnetoresistance for an Active Control of Radiative Heat Transfer

Ricardo Martín Abraham-Ekeroth, Philippe Ben‐Abdallah+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2017

Thermal Radiation and Cooling Technologies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、磁気光学的粒子間の近接場放射熱伝導において、磁場の方向を熱流に対して回転させることで熱伝導度を制御できる、異方的熱磁気抵抗（ATMR）を提案する。InSbナノ粒子では、5 Tの磁場でATMRが最大800%に達し、スピントロニクスの類似効果をはるかに上回り、磁場による能動的熱制御が可能となる。これにより、超高速熱管理およびセンシングが実現可能となる。

ABSTRACT

The discovery that the near-field radiative heat transfer enables to overcome the limit set by Planck’s law holds the promise to have an impact in different nanotechnologies that make use of thermal radiation, and the challenge now is to find strategies to actively control and manipulate this near-field thermal radiation. Here, we predict a huge anisotropic thermal magnetoresistance (ATMR) in the near-field radiative heat transfer between magneto-optical particles when the direction of an external magnetic field is changed with respect to the heat current direction. We illustrate this effect with the case of two InSb particles where we find that the ATMR amplitude can reach values of up to 800% for a magnetic field of 5 T, which is many orders of magnitude larger than its spintronic analogue. This thermomagnetic effect could find broad applications in the field of ultrafast thermal management as well as magnetic and thermal remote sensing.

研究の動機と目的

• 磁場を用いた近接場放射熱伝導（NFRHT）の能動的制御を検討すること。
• 外部磁場の方向が磁気光学系における熱伝導度に影響を与えるかどうかを調査すること。
• 光子トンネル効果における異方的磁気抵抗（AMR）の熱的アナログを示すこと。
• 近接場領域における熱磁気抵抗の大きさを定量すること。
• 大きな可変性を持つ熱伝導度変調を実現できる材料および構成を同定すること。

提案手法

• 熱離散双極子近似（TDDA）を用いて、2つの磁気光学的粒子間の放射熱伝導度を計算する。
• 伝導度に類似したランドアウアー式を適用：G(H, θ) = ∫ dω/(2π) ∂Θ/∂T × T(ω, H, θ)、ここでTは周波数および磁場依存の透過係数である。
• サイズ依存の感受率および磁気光学感受率テンソルを用いてInSb球状粒子をモデル化する。
• 粒子が熱波長に比べて小さい場合の解析的洞察を得るために双極子近似を用いる。
• 感受率テンソル ˆχ およびデイアディック・グリーン関数 ˆG を用いて、透過係数 T(ω, H, θ) を計算する。
• 磁場の大きさHおよび熱電流方向に対する角度θの関数として、伝導度を数値的に解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場の方向が近接場放射熱伝導を顕著に制御できるか？
• RQ2 磁気光学ナノ構造における最大の達成可能な熱磁気抵抗は何か？
• RQ3 熱磁気抵抗は磁場の強さおよび方向にどのように依存するか？
• RQ4 熱的アナログである異方的磁気抵抗（ATMR）は、電子的対応物よりも著しく大きいのか？
• RQ5 この効果はナノスケールデバイスにおける能動的熱制御に活用可能か？

主な発見

• InSbナノ粒子におけるATMRは、5 Tの磁場で最大800%に達し、1 Tでも100%を超える値を示す。
• この効果は、従来のスピントロニクス的異方的磁気抵抗よりも数個のオーダー大きく、顕著である。
• 熱伝導度は、磁場と熱電流方向のなす角度θに強く依存する。
• この現象は、材料内の磁気光学的応答に起因する異方的光子トンネル効果に起因する。
• TDDA法は、近接場熱伝導の磁場方向依存性を正確に捉えている。
• 双極子近似は、小さな粒子に対して解析的洞察を提供し、数値結果の妥当性を検証する。