未來(lái)的電池、移動(dòng)設(shè)備都將離不開(kāi)磁電式能量采集 - 全文

在實(shí)驗(yàn)室中，他們已經(jīng)證明了一種被稱(chēng)為逆自旋霍爾效應(yīng)的新效應(yīng)，它能利用微波作為磁自旋的源，將磁自旋流轉(zhuǎn)換成電流。這聽(tīng)起來(lái)像是繞遠(yuǎn)了，因?yàn)槭謾C(jī)天線(xiàn)已經(jīng)將微波轉(zhuǎn)化為電能，但他們演示的重點(diǎn)并非預(yù)演某個(gè)應(yīng)用，而是為了證明逆自旋霍爾效應(yīng)確實(shí)可以被利用和控制，從而成為21世紀(jì)的一個(gè)工具。他們預(yù)測(cè)這在電池、太陽(yáng)能電池和移動(dòng)設(shè)備上會(huì)派上用場(chǎng)。

“我們從該設(shè)備收集的能量是通過(guò)微波輻射的方式輸送進(jìn)該設(shè)備的——在這個(gè)意義上，能量轉(zhuǎn)換與天線(xiàn)的機(jī)理一樣，即將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電流，”猶他州立大學(xué)教授Christoph Boehme在接收筆者獨(dú)家專(zhuān)訪(fǎng)時(shí)表示，“不同的是，我們?cè)O(shè)備作用的物理機(jī)制完全不同。轉(zhuǎn)換不是通過(guò)感應(yīng)完成的，而是借助逆自旋霍爾效應(yīng)。事實(shí)上，要澄清我們看到的不是諸如電感應(yīng)（例如簡(jiǎn)單的天線(xiàn)效應(yīng)）的寄生效應(yīng)，或其它已知的現(xiàn)象，是這一研究的目的?！?/p>

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圖1：猶他州立大學(xué)物理學(xué)家Valy Vardeny和Christoph Boehme演示了可將磁自旋轉(zhuǎn)換成電流的多種有機(jī)半導(dǎo)體，它們可用于未來(lái)的太陽(yáng)能電池、電池和移動(dòng)電子設(shè)備。（資料來(lái)源：美國(guó)猶他州大學(xué)，Lee Siegel）

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逆霍爾效應(yīng)最早是由前蘇聯(lián)科學(xué)家在1984年證明的，最近又在半導(dǎo)體領(lǐng)域（2006年）和鐵磁性金屬領(lǐng)域（2013年）進(jìn)行了研究。其概念相對(duì)簡(jiǎn)單：正如傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線(xiàn)周?chē)脑訒?huì)引發(fā)磁自旋，且自旋方向取決于電流方向，同樣，若能引發(fā)導(dǎo)線(xiàn)周?chē)脑影l(fā)生磁自旋，則導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)也該會(huì)有電流。

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然而，概念雖簡(jiǎn)單，可所需的演示儀器要復(fù)雜——為此，微波粉墨登場(chǎng)。逆自旋霍爾效應(yīng)的早期實(shí)驗(yàn)使用的是恒定微波，這與微波爐內(nèi)的一樣。不幸的是，微波將儀器的其余部分烤焦了，實(shí)驗(yàn)很快夭折，沒(méi)什么成績(jī)。他們的失敗也給收集環(huán)境中的雜散微波留下陰影，雖然Boehme和他的合作伙伴Valy Vardeny研究員教授都認(rèn)為該想法有可取之處。

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“這是個(gè)很好的想法，但它是否會(huì)成為逆自旋霍爾效應(yīng)的應(yīng)用還有待證明?！?Boehme在回答筆者利用雜散微波發(fā)電的建議時(shí)表示。

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然而，由于他在實(shí)驗(yàn)中使用脈沖微波消除了過(guò)熱問(wèn)題，他可能只是出于禮貌。另外，他建議的應(yīng)用聽(tīng)起來(lái)比我的更可行。

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圖2：構(gòu)建在一小片玻璃條（頂部）上的器件演示了使用逆自旋霍爾效應(yīng)可將磁自旋流轉(zhuǎn)換為電流。關(guān)鍵是一個(gè)夾芯狀裝置（底部），其中外部磁場(chǎng)和微波脈沖在鐵磁體上產(chǎn)生自旋波，然后自旋波在嵌入到有機(jī)半導(dǎo)體（聚合物）內(nèi)的銅電極上轉(zhuǎn)換為電流。（來(lái)源：猶他大學(xué)，Kipp van Schooten和Dali Sun）

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“我們從其它自旋電子學(xué)應(yīng)用（如硬盤(pán)讀磁頭）了解到，自旋電子學(xué)可填補(bǔ)磁場(chǎng)到電流轉(zhuǎn)換——其中簡(jiǎn)單感應(yīng)不再有效，也即感應(yīng)變得很不敏感、很低效（就硬盤(pán)來(lái)說(shuō)，讀取頭太小時(shí)就如此）——的技術(shù)空白?！盉oehme表示，“可以想象以非常低的成本，像柔性襯底（本質(zhì)上是箔片）上的單片納米尺寸薄膜器件一樣，用有機(jī)半導(dǎo)體層做出逆自旋霍爾效應(yīng)器件，所以現(xiàn)在還無(wú)法預(yù)測(cè)應(yīng)用范圍。如果效率允許（我們現(xiàn)在還不知道?。?，那么也可以想象，可以用它來(lái)收集周?chē)h(huán)境的微波輻射，并將其中的能量用于其它應(yīng)用?！?/p>

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一言以蔽之：逆自旋霍爾效應(yīng)能夠奏效；它是自旋電子學(xué)的新應(yīng)用，這在某些方面豐富了業(yè)已不斷豐富的、可用于收集磁自旋的自旋電子效應(yīng)和器件工具箱。接下來(lái)，需要精確測(cè)量其效率并嘗試進(jìn)行一些合適應(yīng)用，以測(cè)定未來(lái)對(duì)有機(jī)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，逆自旋霍爾效應(yīng)究竟有多有用。

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“我們研究的目標(biāo)是展示如何以一種‘直接’的方式來(lái)測(cè)量逆自旋霍爾效應(yīng)，即在沒(méi)有或只有很少簡(jiǎn)單的微波感應(yīng)效應(yīng)和其它信號(hào)存在的條件下，顯示出很強(qiáng)、可直接觀察到的逆自旋霍爾效應(yīng)。”Boehme表示，“我們通過(guò)搭建設(shè)備和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將逆自旋霍爾效應(yīng)的強(qiáng)度較之以前提高了100倍，實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，同時(shí)，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)寄生效應(yīng)的壓制。因此現(xiàn)在我們的設(shè)備可以很容易地觀察到這種效應(yīng)。在不久的將來(lái)，我們（可能還有其它研究團(tuán)體）將使用這一進(jìn)展對(duì)該效應(yīng)進(jìn)行真正、詳細(xì)的研究。當(dāng)然，這些研究的一部分將針對(duì)該效應(yīng)到底能多有效地用于潛在技術(shù)應(yīng)用這一問(wèn)題。”

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圖3：在猶他州立大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)施加脈沖微波時(shí)，研究人員在幾種有機(jī)半導(dǎo)體上展示了逆自旋霍爾效應(yīng)，這可用于未來(lái)的電池、太陽(yáng)能電池和移動(dòng)電子設(shè)備。（資料來(lái)源：美國(guó)猶他州大學(xué)，Christoph Boehme）

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因此，答案仍懸而未決，這些研究人員只是搞出了基準(zhǔn)方法。這將由他們和其他人在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，評(píng)估在未來(lái)應(yīng)用中逆自旋霍爾效應(yīng)的有效性。就個(gè)人而言，我希望這最終能解決來(lái)自通信塔的“微波過(guò)載”，也就是說(shuō)不再使我們每個(gè)人自作自受，但如果必須選擇，那我會(huì)賭小的片上應(yīng)用，如用于未來(lái)超低功耗有機(jī)半導(dǎo)體的新的自旋電子器件。

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研究人員證明了逆自旋霍爾效應(yīng)可在三種有機(jī)半導(dǎo)體材料中奏效：PEDOT : PSS，以及在三種富鉑有機(jī)聚合物中，有兩種是π共軛聚合物，另一種是球形碳-60分子（巴克球），后者被證明最有效。全部細(xì)節(jié)，可參閱“Inverse Spin Hall Effect from pulsed Spin Current in Organic Semiconductors with Tunable Spin-Orbit Coupling”（《帶可調(diào)自旋軌道耦合的有機(jī)半導(dǎo)體中的脈沖自旋流所引起的逆自旋霍爾效應(yīng)》）一文。

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該研究經(jīng)費(fèi)由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和猶他州立大學(xué)的NSF材料研究科學(xué)與工程中心提供。本文得到了（猶他州立大學(xué)）研究助理教授Dali Sun和Hans Malissa、博士后研究人員Kipp van Schooten和Chuang Zhang、博士生Marzieh Kavand和Matthew Groesbeck的幫助。

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