Nature重磅：黑科技將電感器體積縮小百萬倍

▲第一作者：Tomoyuki Yokouchi
通訊作者：Tomoyuki Yokouchi，Yoshinori Tokura

第一單位：RIKEN Center for Emergent Matter Science

DOI：10.1038/s41586-020-2775-x

背景介紹

電感器（inductor）是現代電子設備中最基本的電路元件之一，它能夠將電能轉化為磁能存儲起來。可應用於模擬電路、信息處理、變壓器、濾波器以及諧振器等領域。常規的電感器通常由螺旋線圈組成，並遵循著法拉第電磁感應定律，感應電壓作為對穿透線圈的時變磁通量的抵消。然而，這種常規的電感器件的電感與電感線圈的體積成正比，極大的阻礙了電感器的微型化。在本期Nature中，來自日本的科學家報導了螺旋自旋磁體中的新興電磁感應，基於量子力學的方法可以克服了電感器微型化的問題。同期，Nature以「電感器進入量子力學世界「為題對該工作進行了點評！

本文亮點

1、 作者在微米級磁體Gd3Ru4Al12中觀察到了與商用電感器相當的電感（約400納亨），但是體積僅為商用電感器的百萬分之一。

2、 觀察到的器件電感因電流的非線性而增強，且顯示出非單調的頻率依賴性。

3、 與傳統的電感器不同，器件的電感大小隨著橫截面的減小而迅速增加，且結構簡單，不需要線圈或是鐵芯。

4、 該研究證明了量子力學中貝裡相位的實際應用，在量子力學和現代電子學之間架起了橋梁。

圖文解析

▲圖1 層展電磁（emergent inductance）的概念

1、 層展磁性（bi）是在一種叫做斯格明子（skyrmion）的自旋結構中發現的，其自旋方向剛好將單位球體包裹一次（圖1a）。因此結構中產生了層展磁場，導致了拓撲霍爾效應。

2、 螺旋和鐵磁疇壁等非共線自旋結構，由於被n（與自旋方向平行的單位矢量）覆蓋的立體角度為0，無法產生bi。

3、 當非共線自旋結構在運動時，n(t)所掃過的立體角不再為0，由此產生了層展電場ei。

4、 圖1e顯示去除背景後復阻抗的虛部（Im ΔZ1f）由感抗主導，在0到10 kHz下與頻率成線性相關。

▲圖2 Gd3Ru4Al12中的層展電感
1、 扇形結構中的復阻抗的虛部Im Z1f明顯小於螺杆和橫向錐形結構的Im Z1f（圖2a-c）。這是因為扇形結構中自旋方向並不是圓周旋轉（圖2e-j），因此在電流驅動下，n(t)所掃過的立體角明顯小於螺杆和橫向錐形結構，導致了較小的層展電場。

2、 當多疇壁Q態轉變為單Q-錐形態時，Im Z1f達到了最大值（圖2k）。

3、 當磁場H在單Q-錐形態的ab平面內自旋時，Im Z1f在Q//I(θ = 90°)出達到最大（圖2l）。

4、 與傳統的電感器相反，隨著截面積的減小，器件的電感反而增大（圖2m）。

▲圖3 層展電感的非線性
1、 Im ΔZ1f與電流密度密切相關，由於層展電場與角度ϕ的時間導數∂tϕ成正比，因此這種非線性可以歸因於電流角度ϕ的非線性（圖3a）。

2、 在非共線相中，三階諧波復阻抗的虛部（Im Z3f）增強，但是在轉變溫度之上卻消失了，進一步證明了系統的非線性特性（圖3b,c）。

▲圖4 層展電感的頻率依賴性
1、 為了研究層展電感的頻率依賴性，作者假設了一個與頻率有關的復電感L~(ω)= L′(ω) + iL″(ω)。

2、 在10 kHz以下，採用LCR測試儀測出的L~(ω)與採用鎖定檢測（lock-in）放大器測出的數值幾乎相同（圖4a）。L″影響極小，且不依賴於頻率。

3、 在10 kHz以上，伴隨著L″峰的出現，L′明顯下降（圖4b）。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2775-x