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Nature：不用线圈、磁铁 发电
- by wittx 2021-12-01
电感器是集成电路中的基本组件之一，能够将电能转化为磁能存储起来。1831年，伟大的英国物理学家法拉第（M. Faraday）将两个线圈绕在了一个铁环上，线圈A接直流电源，B接电流表。他发现，当线圈A的电路接通或断开的瞬间，线圈B中会产生瞬时的电流。这就是第一个电感器，而这种导体在磁场中切割磁感线时会产生电流的现象，就是大名鼎鼎的电磁感应现象。
然而，传统电感器件的电感与截面积成正比。因此，在目前电子设备小型化、便携化的趋势下，很难在保持高电感的同时缩小电感器的尺寸，极大的阻碍了先进微电子器件的发展。
图1 传统电感器与层展电感器
近日，日本理化研究所新兴物质科学中心（RIKEN CEMS）的Tomoyuki Yokouchi和Yoshinori Tokura等人报道了一种量子-机械电感器（基于量子-机械贝里相位的层展电磁（emergent electromagnetism）微型电感器）。器件利用了由电流驱动的动力学产生的电场来观察磁体中复杂的磁矩（自旋）结构。与传统的电感器不同：1）无需线圈、铁芯；2）器件的电感与其面积成反比，这意味着缩小器件的尺寸的同时，还能提高电感，这是颠覆传统的发现！获得与传统电感器件相同的电感（400纳亨），体积可缩小100万倍，该研究极大的推动电感器的微型化发展，相关论文以“Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet”为题，发表在最新一期的《Nature》上。
【量子力学来帮忙】
贝里相位：于1984年由英国物理学家Michael V. Berry提出，指的是当一个系统的哈密顿量依赖于一个随时间周期变化的参量时，在绝热近似条件下，系统的在演化一个时间周期后，除了会累积一个固有的动力学相位以外，还会多出一个特殊的相位（即贝里相位）。是量子力学基础研究的重大突破。
层展电磁（emergent electromagnetism）：一种由量子力学中贝里相的概念来描述其产生的电场和磁通量的电磁。
目前，这种电磁多存在于具有非共线自旋结构的磁系统中，磁化方向随着自旋位置的变化而变化。当电子沿着这种结构流动时，它们会与自旋的局部排列产生强耦合，并获得贝里相位。然后，贝里相位充当了有效的电磁场，即层展磁场。
拓扑非共线自旋结构十分稳定，不受小的扭曲或是扰动的影响，然而结构十分复杂。当电子在其中流动时，因为拓扑霍尔效应，涌现磁场会在电压测量中产生一个额外的信号，即所谓的霍尔测量（Hall measurements）。这个电压信号为研究人员探索众多材料的拓扑磁态提供了便利。
在拓扑非共线自旋结构中，当磁场驱动畴壁的运动时，会产生层展电场（emergent electric field）。2019年，日本理化研究所新兴物质科学中心的Naoto Nagaosa等人首次从理论角度证明，电流驱动动力学也能够在这种非共线自旋结构产生层展电场。更为重要的是，根据理论预测，这种磁场产生的电感与电流密度的变化率成正比，而与器件的截面积成反比，与传统的电感器截然不同。
【量子力学与现代电子学的桥梁】
Yokouchi等人制备了一种包含各种非共线自旋结构（包括螺旋，圆锥形和扇形结构）微米级磁体Gd3Ru4Al12。这种磁体材料的磁各向异性很弱（即物质磁性随方向改变的现象），且其自旋结构的螺距很短（空间周期性）。由于这种较弱的磁各向异性，自旋可以相对自由地运动，由此产生的层展电感与螺距的长度成反比。
随后，Yokouchi等人采用锁定检测（lock-in）技术来研究电感器产生的层展电感。通过改变施加磁场的温度和强度，来控制器件的自旋结构状态，并在不同状态下进行测量。此外，他们还改变了设备的长度、宽度和厚度来保证重复性，排除了外部因素的干扰。
最终，Yokouchi等人观察到了与传统电感器相当的层展电感（约400纳亨），层展电感器的体积仅为传统电感器体积百万分之一。
通过改变器件的自旋结构状态，Yokouchi等人发现，螺旋形自旋结构的电流驱动动力学是对大的感应电感的产生起着主导作用。而扇形结构的局部角度变化远小于其他结构，因此所产生的电感就要低得多。此外，Yokouchi等人还发现通过控制自旋结构运动的方向，可以实现涌现电感符号在正负之间来回切换，这与普通电感器形成了鲜明的对比。
Yokouchi等人提出的层展电感器提供了推动了微型高电感电感器的发展。这种电感器可集成到微米甚至纳米级别的电子设备和集成电路中。相较于传统的电感器，这种电感器的结构更加简单，不需要线圈和铁芯。其次，这项工作激发了研究人员构建高效的混合自旋-电子电路和系统的兴趣。最重要的是，它是量子力学中的一个基本概念（贝里相位）在实际应用领域的证明。
【存在的问题】
然而，要想真正的将这种层展电感器应用在实际生活中，仍然面临着一些挑战。其中，最主要的挑战就是开发一种在室温下而不是在约10 K温度下工作的电感器。想要突破这一局限性，需要对潜在的材料进行广泛的探索，尤其是要找到一种能够在室温下对其中短螺距的非共线自旋结构进行稳定操纵的磁体材料。此外，要将这些电感器集成到当前的集成电路中，还需要制定切实可行的方案。
但是不可否认的是，Yokouchi等人已经实现了重大突破，可能导致未来在电子设备，电路和系统方面的工程工作。更加重要的是，该成果同时在量子力学世界和现代电子学之间架起了桥梁。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2775-x
来源：高分子科学前沿
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