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Nature重磅:黑科技将电感器体积缩小百万倍!
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Nature重磅:黑科技将电感器体积缩小百万倍!

2020-10-15 17:38:54 来源:文献精选

来自日本的科学家报道了螺旋自旋磁体中的新兴电磁感应,基于量子力学的方法可以克服了电感器微型化的问题。同期,Nature以“电感器进入量子力学世界“为题对该工作进行了点评!

Nature重磅:黑科技将电感器体积缩小百万倍!

▲第一作者:Tomoyuki Yokouchi

通讯作者:Tomoyuki Yokouchi,Yoshinori Tokura第一单位:RIKEN Center for Emergent Matter ScienceDOI:10.1038/s41586-020-2775-x

背景介绍

电感器(inductor)是现代电子设备中最基本的电路元件之一,它能够将电能转化为磁能存储起来。可应用于模拟电路、信息处理、变压器、滤波器以及谐振器等领域。常规的电感器通常由螺旋线圈组成,并遵循着法拉第电磁感应定律,感应电压作为对穿透线圈的时变磁通量的抵消。然而,这种常规的电感器件的电感与电感线圈的体积成正比,极大的阻碍了电感器的微型化。在本期Nature中,来自日本的科学家报道了螺旋自旋磁体中的新兴电磁感应,基于量子力学的方法可以克服了电感器微型化的问题。同期,Nature以“电感器进入量子力学世界“为题对该工作进行了点评!

本文亮点

1、 作者在微米级磁体Gd3Ru4Al12中观察到了与商用电感器相当的电感(约400纳亨),但是体积仅为商用电感器的百万分之一。2、 观察到的器件电感因电流的非线性而增强,且显示出非单调的频率依赖性。3、 与传统的电感器不同,器件的电感大小随着横截面的减小而迅速增加,且结构简单,不需要线圈或是铁芯。4、 该研究证明了量子力学中贝里相位的实际应用,在量子力学和现代电子学之间架起了桥梁。

图文解析

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▲图1 层展电磁(emergent inductance)的概念

1、 层展磁性(bi)是在一种叫做斯格明子(skyrmion)的自旋结构中发现的,其自旋方向刚好将单位球体包裹一次(图1a)。因此结构中产生了层展磁场,导致了拓扑霍尔效应。2、 螺旋和铁磁畴壁等非共线自旋结构,由于被n(与自旋方向平行的单位矢量)覆盖的立体角度为0,无法产生bi。3、 当非共线自旋结构在运动时,n(t)所扫过的立体角不再为0,由此产生了层展电场ei。4、 图1e显示去除背景后复阻抗的虚部(Im ΔZ1f)由感抗主导,在0到10 kHz下与频率成线性相关。

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▲图2 Gd3Ru4Al12中的层展电感

1、 扇形结构中的复阻抗的虚部Im Z1f明显小于螺杆和横向锥形结构的Im Z1f(图2a-c)。这是因为扇形结构中自旋方向并不是圆周旋转(图2e-j),因此在电流驱动下,n(t)所扫过的立体角明显小于螺杆和横向锥形结构,导致了较小的层展电场。2、 当多畴壁Q态转变为单Q-锥形态时,Im Z1f达到了最大值(图2k)。3、 当磁场H在单Q-锥形态的ab平面内自旋时,Im Z1f在Q//I(θ = 90°)出达到最大(图2l)。4、 与传统的电感器相反,随着截面积的减小,器件的电感反而增大(图2m)。

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▲图3 层展电感的非线性

1、 Im ΔZ1f与电流密度密切相关,由于层展电场与角度ϕ的时间导数∂tϕ成正比,因此这种非线性可以归因于电流角度ϕ的非线性(图3a)。2、 在非共线相中,三阶谐波复阻抗的虚部(Im Z3f)增强,但是在转变温度之上却消失了,进一步证明了系统的非线性特性(图3b,c)。

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▲图4 层展电感的频率依赖性

1、 为了研究层展电感的频率依赖性,作者假设了一个与频率有关的复电感L~(ω)= L′(ω) + iL″(ω)。2、 在10 kHz以下,采用LCR测试仪测出的L~(ω)与采用锁定检测(lock-in)放大器测出的数值几乎相同(图4a)。L″影响极小,且不依赖于频率。3、 在10 kHz以上,伴随着L″峰的出现,L′明显下降(图4b)。

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