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当“电感”敲响了量子力学的大门

    作者:宏拓新软件
    发布日期:2020-11-16         
阅读:62     
 
 

图源:Veer

传统电感由绕在中心铁芯上的线圈组成,如图1a所示。由于传统电感的数值与横截面积成正比,因此很难在保持合理的高电感的同时将其微型化。在超导体中,有一种动力电感产生的电感数值与横截面成反比。然而,电子器件中使用超导体受限于超导基态的临界电流密度。因此,寻求一种全新电感产生原理非常必要。

近日,Nature以“Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet”为题报道了日本理化学研究所(RIKEN)新型物质科学中心(CEMS)主任十仓好纪教授(Yoshinori Tokura)(⏬)团队的最新成果,这是一种量子力学电感器,它在具有复杂磁矩结构的磁铁中利用电流驱动动力学产生的。值得注意的是,这种新兴电感的数值与其面积成反比,不需要线圈或铁芯,如图1b所示。这就可以使得小型化电感具有高电感值成为可能。

图1 传统电感和新兴电感

图源:Nature 586, 202-203 (2020) fig.1

Yokouchi(论文一作和通讯作者)等人解决问题的思路是:基于螺旋自旋磁体中的电流驱动动力学。这个体系的磁场具有非共线自旋结构,即磁化方向随自旋的位置而变化。当电子沿着这种结构流动时,它们会与自旋的局域排列电场强烈耦合,此时可以形成一个量子力学概念上的Berry相。

Berry相是一种高效的新兴的电磁场。比方说,当电子流过拓扑非共线自旋结构时,会引起一个新兴的磁场。所产生的磁场在电压测量中产生了一个额外的信号,称为霍尔测量,这是由一种称为霍尔拓扑效应的物理现象引起的。相较而言,在非共线自旋结构的动力学会引起一个新兴的电场,例如,当磁场驱动磁畴壁(磁化方向不同的磁畴之间的边界)运动时,就会产生这样的磁场。

2019年,日本理化研究所新型物质科学中心的Naoto Nagaosa等人首次从理论角度证明:非共线自旋结构的电流驱动动力学也可以产生新兴的电场。更引人注目的是,据预测,这个电场将产生一个电感,这个电感与电流密度的变化率成正比。由于这种密度与器件的横截面积成反比,新兴电感将随着面积的减小而增加,与普通电感的情况形成鲜明对比。

图2 新兴电感的原理

图源:Nature 586, 232–236 (2020) fig.1

Yokouchi和他的团队成员采用了一种由Gd3Ru4Al12材料制成的微米级磁铁。这种磁铁包含了各种非共线的自旋结构,如螺旋结构、圆锥结构和扇形结构。他们之所以选择这种材料,是因为它具有弱磁向各异性(磁性的方向依赖性),也因为它的自旋结构具有短周期(空间周期性)。自旋在弱磁向各异性下可以相对自由地运动,电感大小与螺距长度成反比。

最引人注目的是:研究人员观察到了一个约为400纳亨的新兴电感,可与传统电感相媲美,因为这种电感的体积大约是传统电感的百万分之一。通过改变器件的自旋结构状态,阐明了器件的新兴电感与自旋结构的非共线性和动力学之间的对应关系。他们发现,螺旋自旋结构的电流驱动动力学是产生巨大新兴电感的原因。相比之下,扇形结构的电感要小得多,因为它们的局部角度变化比其他结构小得多。通过控制自旋结构运动的方向,可以在正负电感之间切换出现的出射电感的符号,这与普通电感有着显著的区别。

然而,这种新兴电感的实际应用还需要进一步的突破:目前主要的限制因素是温度,当前电感在约10开尔文的低温下工作,需要开发在室温下工作的电感。要克服这一局限性,就需要对潜在的材料进行广泛的探索,特别是要找到一种短距非共线自旋结构并方便在室温下操纵的磁体。

无论如何,这项工作具有开创性的意义:

首先,它为开发小型化的高容量电感提供了一种可扩展的途径,可用于许多微型或纳米级的电子器件和集成电路。这种电感因为不需要线圈和铁芯,在设计上相对于传统电感简单得多。

其次,这项工作为构建高效的自旋-电子混合电路和系统提供了新的研究视角。

最后,它证明了量子力学的一个基本概念Berry相可以在实际生活中应用。

这项发现在量子力学和现代电子学之间建立起强有力的连接,极有可能会引领未来在电子设备、电路和系统方面的发展潮流。

 

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