在實(shí)驗室中，他們已經(jīng)證明了一種被稱(chēng)為逆自旋霍爾效應的新效應，它能利用微波作為磁自旋的源，將磁自旋流轉換成電流。這聽(tīng)起來(lái)像是繞遠了，因為手機天線(xiàn)已經(jīng)將微波轉化為電能，但他們演示的重點(diǎn)并非預演某個(gè)應用，而是為了證明逆自旋霍爾效應確實(shí)可以被利用和控制，從而成為21世紀的一個(gè)工具。他們預測這在電池、太陽(yáng)能電池和移動(dòng)設備上會(huì )派上用場(chǎng)。

 

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

 

 

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換成電流的多種有機半導體，它們可用于未來(lái)的太陽(yáng)能電池、電池和移動(dòng)電子設備。（資料來(lái)源：美國猶他州大學(xué)，Lee Siegel）

 

逆霍爾效應最早是由前蘇聯(lián)科學(xué)家在1984年證明的，最近又在半導體領(lǐng)域（2006年）和鐵磁性金屬領(lǐng)域（2013年）進(jìn)行了研究。其概念相對簡(jiǎn)單：正如傳導電流的導線(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)導線(xiàn)周?chē)脑影l(fā)生磁自旋，則導線(xiàn)內也該會(huì )有電流。

 

然而，概念雖簡(jiǎn)單，可所需的演示儀器要復雜——為此，微波粉墨登場(chǎng)。逆自旋霍爾效應的早期實(shí)驗使用的是恒定微波，這與微波爐內的一樣。不幸的是，微波將儀器的其余部分烤焦了，實(shí)驗很快夭折，沒(méi)什么成績(jì)。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研究員教授都認為該想法有可取之處。

 

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

 

然而，由于他在實(shí)驗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，他建議的應用聽(tīng)起來(lái)比我的更可行。

 

 

圖2：構建在一小片玻璃條（頂部）上的器件演示了使用逆自旋霍爾效應可將磁自旋流轉換為電流。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半導體（聚合物）內的銅電極上轉換為電流。（來(lái)源：猶他大學(xué)，Kipp van Schooten和Dali Sun）

 

“我們從其它自旋電子學(xué)應用（如硬盤(pán)讀磁頭）了解到，自旋電子學(xué)可填補磁場(chǎng)到電流轉換——其中簡(jiǎn)單感應不再有效，也即感應變得很不敏感、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。”Boehme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，用有機半導體層做出逆自旋霍爾效應器件，所以現在還無(wú)法預測應用范圍。如果效率允許（我們現在還不知道?。?，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用。”

 

一言以蔽之：逆自旋霍爾效應能夠奏效；它是自旋電子學(xué)的新應用，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和器件工具箱。接下來(lái)，需要精確測量其效率并嘗試進(jìn)行一些合適應用，以測定未來(lái)對有機半導體來(lái)說(shuō)，逆自旋霍爾效應究竟有多有用。

 

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

 

 

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

 

因此，答案仍懸而未決，這些研究人員只是搞出了基準方法。這將由他們和其他人在未來(lái)的實(shí)驗中，評估在未來(lái)應用中逆自旋霍爾效應的有效性。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 )賭小的片上應用，如用于未來(lái)超低功耗有機半導體的新的自旋電子器件。

 

研究人員證明了逆自旋霍爾效應可在三種有機半導體材料中奏效：PEDOT : PSS，以及在三種富鉑有機聚合物中，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。全部細節，可參閱“Inverse Spin Hall Effect from pulsed Spin Current in Organic Semiconductors with Tunable Spin-Orbit Coupling”（《帶可調自旋軌道耦合的有機半導體中的脈沖自旋流所引起的逆自旋霍爾效應》）一文。

 

該研究經(jīng)費由美國國家科學(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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