[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出在磁光粒子之间的近场辐射热传递中存在各向异性热磁阻（ATMR），其中通过调节磁场方向相对于热流方向，可调控热导率。在InSb纳米颗粒中，当外加磁场为5 T时，ATMR可达800%，远超自旋电子学类比效应，实现了通过磁场实现的主动热控，适用于超快热管理与传感。

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.

研究动机与目标

• 探索利用磁场对近场辐射热传递（NFRHT）进行主动调控。
• 研究外加磁场方向是否能调制磁光系统中的热导率。
• 在光子隧穿过程中展示各向异性磁阻（AMR）的热学类比。
• 量化近场区域中热磁阻的大小。
• 识别能够实现大范围、可调制热导率的材料与结构配置。

提出的方法

• 使用热离散偶极近似（TDDA）计算两个磁光粒子之间的辐射热导率。
• 应用类似Landauer的导纳公式：G(H, θ) = ∫ dω/(2π) ∂Θ/∂T × T(ω, H, θ)，其中T为频率和磁场相关的透射系数。
• 对具有尺寸依赖极化率和磁光磁化率张量的InSb球形颗粒进行建模。
• 当颗粒尺寸远小于热波长时，采用偶极近似以获得解析洞察。
• 利用磁化率张量 ˆχ 和双矢量格林函数 ˆG 计算透射系数 T(ω, H, θ)。
• 数值求解热导率关于磁场强度H和相对于热流方向夹角θ的函数关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加磁场方向是否能显著调制近场辐射热传递？
• RQ2 磁光纳米结构中可实现的最大热磁阻是多少？
• RQ3 热磁阻如何依赖于磁场强度和方向？
• RQ4 热学类比的各向异性磁阻（ATMR）是否显著大于其电子学对应效应？
• RQ5 该效应能否用于纳米器件中的主动热控？

主要发现

• 在InSb纳米颗粒中，ATMR在5 T磁场下可达800%，在1 T磁场下也超过100%。
• 该效应比传统自旋电子学各向异性磁阻大几个数量级。
• 热导率强烈依赖于磁场方向与热流方向之间的夹角θ。
• 该现象源于材料中磁光响应引起的各向异性光子隧穿。
• TDDA方法准确捕捉了近场热传递对磁场方向的依赖性。
• 偶极近似提供了分析洞察，并验证了小颗粒条件下的数值结果。