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逆自旋霍尔效应 微波能量转化为电能?

导读: 随着来自手机讯号基地台、行动装置、Wi-Fi、蓝牙与5G等产生越来越多的微波充斥全世界,很自然地,科学家开始探讨将这些微波转化成能量的方法。美国犹他大学(University of Utah)的科学家们发现了一种新方法,可在有机半导体中将微波能量转化为电能。

  OFweek电子工程网讯 随着来自手机讯号基地台、行动装置、Wi-Fi、蓝牙与5G等产生越来越多的微波充斥全世界,很自然地,科学家开始探讨将这些微波转化成能量的方法。美国犹他大学(University of Utah)的科学家们发现了一种新方法,可在有机半导体中将微波能量转化为电能。

  在实验室中,研究人员证明了一种新效应——称为逆自旋霍尔效应(Hall effect)——利用微波作为磁自旋的来源,将磁自旋流转换成电流。这听起来像是绕远路走了,因为手机天线已经将微波转化为电能了;然而,研究人员想证实的重点并不在于预览某种应用,而是要证明逆自旋霍尔效应确实可被利用和控制,从而成为21世纪的工具。他们预测这种效应可在一般的电池、太阳能电池与行动装置等应用派上用场。

  “我们从该装置收集的能量是透过微波辐射的方式输送至该装置的——在这个意义上,能量转换与天线的原理一样,即将电磁辐射转换成电流,”犹他大学教授Christoph Boehme在接受专访时表示。“不同的是,我们的装置所具有的实体机制完全不同。它并不是透过感应完成转换,而是藉由逆自旋霍尔效应。事实上,澄清这样的事实——我们看到的不是寄生效应,如电感应(例如简单的天线效应)或其它已知的现象——正是这一研究的目的。”

  逆向霍尔效应最早是由苏联科学家在1984年证实,最近在半导体领域(2006年)和铁磁性金属领域(2013年)也有进一步的研究。其概念相对简单:正如在原子围绕传导电流时引发磁自旋且自旋方向取决于电流方向一样,若能引发围绕导线周围的原子发生磁自旋,导线内也应该会有电流。

  然而,概念虽简单,可展示该概念的设备却很复杂——为此,微波粉墨登场。逆自旋霍尔效应的早期实验使用的是恒定微波——与微波炉内的一样。遗憾的是,微波将装置的其余部份烤焦了,使得实验很快夭折,没什么成绩。他们的失败也为收集环境中的杂散微波留下阴影,虽然Boehme与其合作伙伴VALY Vardeny教授,都认为该想法有可取之处。

  “这是个很好的想法,它是否会成为逆自旋霍尔效应的应用还有待证明,”Boehme在回答我利用杂散微波发电的建议时表示。

  然而,他可能只是出于礼貌,因为他在实验中使用脉冲微波消除过热的问题。另外,他建议的应用听起来比我想的更可行。

逆自旋霍尔效应 微波能量转化为电能?

  建构在一小片玻璃(顶部)上的元件能以逆自旋霍尔效应将磁自旋流转换为电流。关键是一个夹层元件(底部),其中外部磁场和微波脉冲在铁磁体上产生自旋波,然后在嵌入于有机半导体(聚合物)的铜电极上转换为电流。 (来源:犹他大学,Kipp van Schooten和Dali Sun)

  “我们从其它自旋电子学应用(如硬碟读取磁头)了解到,自旋电子学可填补磁场到电流转换技术中简单感应不再有效的这块空白——也即感应此时变得很不敏感、效率降低(以硬碟来说,就是读取头太小),”Boehme表示,“可以想像,能以非常低的成本,在软性基板(基本上是种箔片)上产生奈米尺寸的薄膜有机半导体层,并用其做出逆自旋霍尔效应元件,所以现在,还无法预测应用范围。如果效率允许(我们现在还不知道!),那么也可以想像,应可用其收集周围环境的微波辐射,将收集到的能量用于其它应用。”

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责任编辑:Zack
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