太好了,利用自旋流進行流體動力發電,能量轉換提高了10萬倍!

2020-11-23 騰訊網

日本科學技術振興機構基礎研究計劃中ERATO Saitoh自旋量子整流項目的科學家，闡明了在微米級通道中利用自旋流進行流體動力發電的機理，發現隨著流動規模的減小，發電效率大大提高。在微通道中，流動呈現一種稱為層流的狀態，在這種狀態下，微渦狀的液體運動廣泛而平滑地分布在整個通道中。這產生了更適合小型化的特性，並且提高了發電效率。

Mamoru Matsuo等人在2017年預測了利用自旋流進行流體發電的基本理論，在本研究中，研究人員通過實驗演示了層流區的流體發電現象，其研究成果發表在《自然通訊》期刊上。實驗結果證實，在層流區，能量轉換效率提高了大約10萬倍。在本研究中闡明的層流中自旋流體發電現象的特點是：可以獲得與流速成正比的電動勢，並且轉換效率隨著流動尺寸的減小而增加。

此外，雖然水力發電（也稱為流體發電）和磁流體動力發電需要額外的設備，如渦輪機和線圈，但研究中的現象幾乎不需要額外設備，無論是在流道內部還是外部。由於這些特性，有望應用於基於自旋電子學的納米流體器件，例如快速增殖反應堆或半導體器件中的液態金屬流動冷卻機制，以及應用於電測量微流量的流量計。流體運動可以通過流體旋轉和電子自旋耦合產生電子自旋的角動量通量。

這種流體動力產生，稱為自旋流體動力產生(SHDG)，在許多領域引起了人們的關注，特別是在自旋電子學領域。由於自旋擴散的長度尺度，自旋電子學處理的是微米或納米尺度上發生自旋介導的相互轉化。為了完全融入到相互轉化中，SHDG物理也應該建立在這樣一個微小的尺度上，在這個尺度上，大多數流體都表現為層流流動。研究報告了由於自旋流體動力產生在液態金屬汞層流中產生的電壓。

實驗結果表明，層流自旋流體動力產生具有獨特的標度規律。此外，能量轉換效率比湍流的能量轉換效率高約10^5倍，研究結果表明，層流自旋流體動力產生適合於小型化和擴大流體自旋電子學的覆蓋範圍。自旋電流是一種自旋角動量流，它實現了各種物理實體之間的相互轉換，如電、磁化、熱、彈性運動、和液體運動。這種自旋介導的相互轉換是在微米或納米尺度上實現，並在自旋電子學領域得到了廣泛的研究。

流體的機械運動也可以作為這個相互轉換框架的組成部分：自旋流體動力產生。旋流體動力產生不僅在自旋領域，而且在包括核物理在內的廣泛領域。

博科園｜研究/來自：日本科學技術振興機構

參考期刊《自然通訊》

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