[논문 리뷰] Anisotropic Thermal Magnetoresistance for an Active Control of Radiative Heat Transfer

Ricardo Martín Abraham-Ekeroth, Philippe Ben‐Abdallah외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 20.

Thermal Radiation and Cooling Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 자화율 물질 입자 간의 근접장 복사열전달에서, 자기장 방향을 열 흐름에 대해 회전시킴으로써 열전도도를 조절할 수 있는 이방성 열 자기저항(Anisotropic Thermal Magnetoresistance, ATMR)을 제안한다. InSb 나노입자에서 ATMR는 5 T에서 최대 800%에 이르며, 스핀트로닉스의 유사 현상보다 훨씬 뛰어나며, 자기장에 의한 능동적 열 제어를 통해 초고속 열 관리 및 센서 기술을 실현할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기장에 의한 근접장 복사열전달(NFRHT)의 능동적 제어를 탐색한다.
• 외부 자기장의 방향이 자화율 시스템에서 열전도도를 조절할 수 있는지 조사한다.
• 광자 터널링에서 이방성 자기저항(AMR)의 열적 유사 현상인 ATMR를 입증한다.
• 근접장 영역에서의 열 자기저항 크기를 정량화한다.
• 큰 조절 가능한 열전도도 변동을 가능하게 하는 물질과 구조를 규명한다.

제안 방법

• 자화율 입자 두 개 사이의 복사열전도도를 계산하기 위해 열적 이산 두극자 근사(Thermal Discrete Dipole Approximation, TDDA)를 사용한다.
• 전도도에 대한 Landauer 유사 공식을 적용: G(H, θ) = ∫ dω/(2π) ∂Θ/∂T × T(ω, H, θ), 여기서 T는 주파수 및 자기장에 의존하는 전송 계수이다.
• 크기 의존성 있는 분극율과 자화율 광학 감도 텐서를 갖는 InSb 구형 입자를 모델링한다.
• 입자가 열파장에 비해 작을 경우 분석적 통찰을 얻기 위해 이중극자 근사를 적용한다.
• 감도 텐서 ˆχ와 이중벡터 그린 함수 ˆG를 사용하여 전송 계수 T(ω, H, θ)를 계산한다.
• 자기장 크기 H와 열전류 방향에 대한 각도 θ에 따라 전도도를 수치적으로 구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장의 방향이 근접장 복사열전달을 상당히 조절할 수 있는가?
• RQ2 자화율 나노구조에서 도달 가능한 최대 열 자기저항은 얼마인가?
• RQ3 열 자기저항은 자기장 강도와 방향에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 열적 이방성 자기저항(ATMR)은 전자적 유사 현상보다 현저히 큰가?
• RQ5 이 효과는 나노스케일 장치에서 능동적 열 제어에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• InSb 나노입자에서 ATMR는 5 T 자기장에서 최대 800%에 이르며, 1 T에서도 100% 이상을 기록한다.
• 이 현상은 기존 스핀트로닉스의 이방성 자기저항보다 수 개의 주기만큼 더 크다.
• 열전도도가 자기장과 열전류 방향 사이의 각도 θ에 따라 크게 변한다.
• 이 현상은 자화율 물질의 반응에 기인한 이방성 광자 터널링에 기인한다.
• TDDA 방법은 근접장 열전달의 자기장 방향 의존성을 정확히 포착한다.
• 이중극자 근사는 작은 입자에 대해 분석적 통찰을 제공하며, 수치 결과를 검증한다.