內(nèi)容來源：中國科學(xué)院，長春光機所，Light學(xué)術(shù)出版中心，新媒體工作組
電感，是現(xiàn)代電子設(shè)備中常用的元件之一。通常用于模擬電路和信息處理，例如變壓器、濾波器以及諧振器等等。電感可以阻礙電流的變化，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為磁能存儲起來。
傳統(tǒng)電感由繞在中心鐵芯上的線圈組成，如圖1a所示。由于傳統(tǒng)電感的數(shù)值與橫截面積成正比，因此很難在保持合理的高電感的同時將其微型化。在超導(dǎo)體中，有一種動力電感產(chǎn)生的電感數(shù)值與橫截面成反比。然而，電子器件中使用超導(dǎo)體受限于超導(dǎo)基態(tài)的臨界電流密度。因此，尋求一種全新電感產(chǎn)生原理非常必要。 近日，Nature以“Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet”為題報道了日本理化學(xué)研究所(RIKEN)新型物質(zhì)科學(xué)中心(CEMS)主任十倉好紀教授（Yoshinori Tokura）團隊的最新成果，這是一種量子力學(xué)電感器，它在具有復(fù)雜磁矩結(jié)構(gòu)的磁鐵中利用電流驅(qū)動動力學(xué)產(chǎn)生的。值得注意的是，這種新興電感的數(shù)值與其面積成反比，不需要線圈或鐵芯，如圖1b所示。這就可以使得小型化電感具有高電感值成為可能。 圖源：Nature 586, 202-203 (2020) fig.1Yokouchi（論文一作和通訊作者）等人解決問題的思路是：基于螺旋自旋磁體中的電流驅(qū)動動力學(xué)。這個體系的磁場具有非共線自旋結(jié)構(gòu)，即磁化方向隨自旋的位置而變化。當(dāng)電子沿著這種結(jié)構(gòu)流動時，它們會與自旋的局域排列電場強烈耦合，此時可以形成一個量子力學(xué)概念上的Berry相。Berry相是一種高效的新興的電磁場。比方說，當(dāng)電子流過拓撲非共線自旋結(jié)構(gòu)時，會引起一個新興的磁場。所產(chǎn)生的磁場在電壓測量中產(chǎn)生了一個額外的信號，稱為霍爾測量，這是由一種稱為霍爾拓撲效應(yīng)的物理現(xiàn)象引起的。相較而言，在非共線自旋結(jié)構(gòu)的動力學(xué)會引起一個新興的電場，例如，當(dāng)磁場驅(qū)動磁疇壁(磁化方向不同的磁疇之間的邊界)運動時，就會產(chǎn)生這樣的磁場。2019年，日本理化研究所新型物質(zhì)科學(xué)中心的Naoto Nagaosa等人首次從理論角度證明：非共線自旋結(jié)構(gòu)的電流驅(qū)動動力學(xué)也可以產(chǎn)生新興的電場。更引人注目的是，據(jù)預(yù)測，這個電場將產(chǎn)生一個電感，這個電感與電流密度的變化率成正比。由于這種密度與器件的橫截面積成反比，新興電感將隨著面積的減小而增加，與普通電感的情況形成鮮明對比。圖源：Nature 586, 232–236 (2020) fig.1Yokouchi和他的團隊成員采用了一種由Gd3Ru4Al12材料制成的微米級磁鐵。這種磁鐵包含了各種非共線的自旋結(jié)構(gòu)，如螺旋結(jié)構(gòu)、圓錐結(jié)構(gòu)和扇形結(jié)構(gòu)。他們之所以選擇這種材料，是因為它具有弱磁向各異性(磁性的方向依賴性)，也因為它的自旋結(jié)構(gòu)具有短周期(空間周期性)。自旋在弱磁向各異性下可以相對自由地運動，電感大小與螺距長度成反比。最引人注目的是：研究人員觀察到了一個約為400納亨的新興電感，可與傳統(tǒng)電感相媲美，因為這種電感的體積大約是傳統(tǒng)電感的百萬分之一。通過改變器件的自旋結(jié)構(gòu)狀態(tài)，闡明了器件的新興電感與自旋結(jié)構(gòu)的非共線性和動力學(xué)之間的對應(yīng)關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)，螺旋自旋結(jié)構(gòu)的電流驅(qū)動動力學(xué)是產(chǎn)生巨大新興電感的原因。相比之下，扇形結(jié)構(gòu)的電感要小得多，因為它們的局部角度變化比其他結(jié)構(gòu)小得多。通過控制自旋結(jié)構(gòu)運動的方向，可以在正負電感之間切換出現(xiàn)的出射電感的符號，這與普通電感有著顯著的區(qū)別。然而，這種新興電感的實際應(yīng)用還需要進一步的突破：目前主要的限制因素是溫度，當(dāng)前電感在約10開爾文的低溫下工作，需要開發(fā)在室溫下工作的電感。要克服這一局限性，就需要對潛在的材料進行廣泛的探索，特別是要找到一種短距非共線自旋結(jié)構(gòu)并方便在室溫下操縱的磁體。 無論如何，這項工作具有開創(chuàng)性的意義： 首先，它為開發(fā)小型化的高容量電感提供了一種可擴展的途徑，可用于許多微型或納米級的電子器件和集成電路。這種電感因為不需要線圈和鐵芯，在設(shè)計上相對于傳統(tǒng)電感簡單得多。 其次，這項工作為構(gòu)建高效的自旋-電子混合電路和系統(tǒng)提供了新的研究視角。 最后，它證明了量子力學(xué)的一個基本概念Berry相可以在實際生活中應(yīng)用。這項發(fā)現(xiàn)在量子力學(xué)和現(xiàn)代電子學(xué)之間建立起強有力的連接，極有可能會引領(lǐng)未來在電子設(shè)備、電路和系統(tǒng)方面的發(fā)展潮流。 文章信息 Yokouchi, T., Kagawa, F., Hirschberger, M. et al. Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet. Nature 586, 232–236 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2775-x |
