逆自旋霍爾效應(yīng)，微波能量可轉(zhuǎn)化為電能？

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在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員證明了一種新效應(yīng)——稱為逆自旋霍爾效應(yīng)(Hall effect)——利用微波作為磁自旋的來源，將磁自旋流轉(zhuǎn)換成電流。這聽起來像是繞遠(yuǎn)路走了，因?yàn)槭謾C(jī)天線已經(jīng)將微波轉(zhuǎn)化為電能了；然而，研究人員想證實(shí)的重點(diǎn)并不在于預(yù)覽某種應(yīng)用，而是要證明逆自旋霍爾效應(yīng)確實(shí)可被利用和控制，從而成為21世紀(jì)的工具。他們預(yù)測(cè)這種效應(yīng)可在一般的電池、太陽能電池與行動(dòng)裝置等應(yīng)用派上用場(chǎng)。

“我們從該裝置收集的能量是透過微波輻射的方式輸送至該裝置的——在這個(gè)意義上，能量轉(zhuǎn)換與天線的原理一樣，即將電磁輻射轉(zhuǎn)換成電流，”猶他大學(xué)教授Christoph Boehme在接受專訪時(shí)表示?！安煌氖?，我們的裝置所具有的實(shí)體機(jī)制完全不同。它并不是透過感應(yīng)完成轉(zhuǎn)換，而是藉由逆自旋霍爾效應(yīng)。事實(shí)上，澄清這樣的事實(shí)——我們看到的不是寄生效應(yīng)，如電感應(yīng)(例如簡單的天線效應(yīng))或其它已知的現(xiàn)象——正是這一研究的目的?！?/p>

逆向霍爾效應(yīng)最早是由蘇聯(lián)科學(xué)家在1984年證實(shí)，最近在半導(dǎo)體領(lǐng)域(2006年)和鐵磁性金屬領(lǐng)域(2013年)也有進(jìn)一步的研究。其概念相對(duì)簡單：正如在原子圍繞傳導(dǎo)電流時(shí)引發(fā)磁自旋且自旋方向取決于電流方向一樣，若能引發(fā)圍繞導(dǎo)線周圍的原子發(fā)生磁自旋，導(dǎo)線內(nèi)也應(yīng)該會(huì)有電流。

然而，概念雖簡單，可展示該概念的設(shè)備卻很復(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——與微波爐內(nèi)的一樣。遺憾的是，微波將裝置的其余部份烤焦了，使得實(shí)驗(yàn)很快夭折，沒什么成績。他們的失敗也為收集環(huán)境中的雜散微波留下陰影，雖然Boehme與其合作伙伴VALY Vardeny教授，都認(rèn)為該想法有可取之處。

“這是個(gè)很好的想法，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在回答我利用雜散微波發(fā)電的建議時(shí)表示。

然而，他可能只是出于禮貌，因?yàn)樗趯?shí)驗(yàn)中使用脈沖微波消除過熱的問題。另外，他建議的應(yīng)用聽起來比我想的更可行。

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建構(gòu)在一小片玻璃(頂部)上的元件能以逆自旋霍爾效應(yīng)將磁自旋流轉(zhuǎn)換為電流。關(guān)鍵是一個(gè)夾層元件(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，然后在嵌入于有機(jī)半導(dǎo)體(聚合物)的銅電極上轉(zhuǎn)換為電流。 （來源：猶他大學(xué)，Kipp van Schooten和Dali Sun）

“我們從其它自旋電子學(xué)應(yīng)用(如硬碟讀取磁頭)了解到，自旋電子學(xué)可填補(bǔ)磁場(chǎng)到電流轉(zhuǎn)換技術(shù)中簡單感應(yīng)不再有效的這塊空白——也即感應(yīng)此時(shí)變得很不敏感、效率降低(以硬碟來說，就是讀取頭太小)，”Boehme表示，“可以想像，能以非常低的成本，在軟性基板(基本上是種箔片)上產(chǎn)生奈米尺寸的薄膜有機(jī)半導(dǎo)體層，并用其做出逆自旋霍爾效應(yīng)元件，所以現(xiàn)在，還無法預(yù)測(cè)應(yīng)用范圍。如果效率允許(我們現(xiàn)在還不知道！)，那么也可以想像，應(yīng)可用其收集周圍環(huán)境的微波輻射，將收集到的能量用于其它應(yīng)用?！?/p>

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一言以蔽之，逆自旋霍爾效應(yīng)是可行的(如本文相關(guān)圖表和論文)；它是自旋電子學(xué)的新應(yīng)用，在某些方面豐富了業(yè)已不斷成長可用于收集磁自旋的自旋電子效應(yīng)和裝置工具箱。接下來，需要精確測(cè)量其效率并嘗試進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，以便檢測(cè)逆自旋霍爾效應(yīng)對(duì)于未來的有機(jī)半導(dǎo)體多么有幫助。

“我們研究的目標(biāo)在于展示如何以一種‘直接的方式’檢測(cè)逆自旋霍爾效應(yīng)，在缺少或很少簡單微波感應(yīng)效應(yīng)和其它訊號(hào)存在的條件下，顯示出強(qiáng)大且可直接觀察到的逆自旋霍爾效應(yīng)，”Boehme告訴記者。“透過搭建裝置和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們已將逆自旋霍爾效應(yīng)的強(qiáng)度較之以前提高了100倍；同時(shí)也抑制了寄生效應(yīng)。所以，現(xiàn)在我們的裝置可以很輕易地觀察到這種效應(yīng)。在不久的將來，我們(可能還有其它研究團(tuán)體)將使用此進(jìn)展對(duì)該效應(yīng)進(jìn)行真正詳細(xì)的研究。當(dāng)然，這些研究的一部份將著眼于該效應(yīng)到底能多有效地用于潛在技術(shù)應(yīng)用上?！?/p>

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研究人員在猶他大學(xué)的物理實(shí)驗(yàn)室，透過為幾種有機(jī)半導(dǎo)體施加脈沖微波，展示逆自旋霍爾效應(yīng)，這一效應(yīng)可望用于未來的電池、太陽能電池和行動(dòng)電子裝置（來源：猶他大學(xué)，Christoph Boehme）

因此，答案仍然懸而未決，而研究人員們只是提出了基本的配方。它將有賴于研究人員在未來的實(shí)驗(yàn)中評(píng)估逆自旋霍爾效應(yīng)在未來應(yīng)用中的有效性。就個(gè)人而言，我希望這最終能解決來自通訊基地臺(tái)的“微波超載”，使人們不再受到微波的長期‘烘烤’，但如果必須選擇的話，我會(huì)在較小規(guī)模的晶片應(yīng)用下睹注，如用于未來超低功耗有機(jī)半導(dǎo)體的新自旋電子元件。

研究人員證明了逆自旋霍爾效應(yīng)可作用于三種有機(jī)半導(dǎo)體材料中：PEDOT、PSS以及3種富含鉑的有機(jī)聚合物，其中兩種是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。