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传统被颠覆,电子元器件尺寸缩小百万倍

作者:立深鑫        发布时间:10-23        点击:
摘要 : 当今世界,电子元器件就是不断追求更小的极致代表之一。电路的基本组件之一是电感器,它提供电感(与电流变化相反)。1831年,法拉第首先发现电磁感应现象,传统的电感器由缠绕在中心铁芯上的线圈组成。
有人追求大,有人追求小。

当今世界,电子元器件就是不断追求更小的极致代表之一。电路的基本组件之一是电感器,它提供电感(与电流变化相反)。1831年,法拉第首先发现电磁感应现象,传统的电感器由缠绕在中心铁芯上的线圈组成。不幸的是,因为这种器件的电感与它们的横截面积成比例,所以很难使它们在小型化的同时保持合理的高电感。

这与当前电子元器件不断微型化的趋势不符!

层展电磁

层展电磁指的是由量子力学中贝里相的概念来描述其产生的电场和磁通量的电磁。表现出层展电磁的物理系统包括具有非共线自旋结构的磁系统,由此磁化方向随着自旋的位置而变化。当电子沿着这种结构流动时,它们可以变得强烈地耦合到自旋的局部排列,并获得贝里相位。这个相位就充当了一个有效的电磁场,称为层展磁场。

例如,当电子流过所谓的拓扑非共线自旋结构时,就会产生一个层展磁场,这些结构具有特殊的拓扑结构,使它们能够抵抗小的扭曲或扰动。产生的磁场会在电压测量中产生额外的信号,称为霍尔测量,这是由一种称为拓扑霍尔效应的物理现象引起的。鉴于这种自旋结构的复杂性,这种电压信号提供了一种方便的方法来探索各种材料的拓扑磁性状态。

相比之下,非共线自旋结构的动力学会产生一个层展磁场。例如,当磁场驱动磁畴壁(磁性材料中具有不同磁化方向的磁畴之间的边界)运动时,产生这样的场。2019年的理论研究表明,非共线自旋结构的电流驱动动力学也可以产生一个层展电场。更引人注目的是,有人预测这个电场会产生一个与电流密度变化率成正比的电感。因为该密度与器件的横截面积成反比,所以层展电感会随着面积的减小而增加,这与普通电感的情况形成鲜明对比。


电子元器件

最近,日本理化研究所新兴物质科学中心团队报告了一种量子力学电感器,称为层展电感器,它使用电流驱动动力学产生的电场,观察磁体中磁矩(自旋)的复杂结构。值得注意的是,这种器件的电感与其面积成反比,不需要线圈或磁芯——这些特性在实际应用中非常理想。IBM托马斯-沃森研究中心在同一期上对该研究发表评论文章。

利用一种由Gd3Ru4Al12制作的微米级磁铁实现了该想法,包含各种非共线自旋结构,如螺旋、圆锥和扇形结构。他们选择这种材料是因为它具有弱的磁各向异性(磁性的方向依赖性),并且因为它的自旋结构具有短的间距(空间周期性)。自旋在弱磁各向异性下可以相对自由地运动,层展电感与节距成反比。


电子元器件

作者用一种叫做锁定检测的技术研究了他们电感器的层展电感。他们通过改变外加磁场的温度和强度,来控制装置的自旋结构状态,并对不同的状态进行测量。他们还改变了设备的长度、宽度和厚度,以确认重复性,并排除观察到的信号由外部因素(如接触电极的存在)引起的可能性。

最引人注目的是,观察到了一个大的层展电感(约为-400纳亨),与传统电感相当,但电感体积仅为百万分之一。通过改变器件的自旋结构状态,阐明了层展电感与自旋结构的非共线性和动力学之间的对应关系。这种对应关系可以用前面提到的层展电感机制很好地解释。


电子元器件

研究发现,螺旋自旋结构的电流驱动动力学是产生大电感的原因。相反,扇形结构产生低得多的电感,因为它们的局部角度变化比其它结构小得多。此外,作者发现层展电感的符号,可以通过控制自旋结构运动的方向,在正和负之间切换,这也与普通电感截然不同。