【傳統電感器的困境】
電感器是集成電路中的基本組件之一，能夠將電能轉化為磁能存儲起來。1831年，偉大的英國物理學家法拉第（M. Faraday）將兩個線圈繞在了一個鐵環上，線圈A接直流電源，B接電流表。他發現，當線圈A的電路接通或斷開的瞬間，線圈B中會產生瞬時的電流。這就是第一個電感器，而這種導體在磁場中切割磁感線時會產生電流的現象，就是大名鼎鼎的電磁感應現象。
然而，傳統電感器件的電感與截面積成正比。因此，在目前電子設備小型化、便攜化的趨勢下，很難在保持高電感的同時縮小電感器的尺寸，極大的阻礙了先進微電子器件的發展。
圖1 傳統電感器與層展電感器
近日，日本理化研究所新興物質科學中心（RIKEN CEMS）的Tomoyuki Yokouchi和Yoshinori Tokura等人報導了一種量子-機械電感器（基於量子-機械貝裡相位的層展電磁（emergent electromagnetism）微型電感器）。器件利用了由電流驅動的動力學產生的電場來觀察磁體中複雜的磁矩（自旋）結構。與傳統的電感器不同：1）無需線圈、鐵芯；2）器件的電感與其面積成反比，這意味著縮小器件的尺寸的同時，還能提高電感，這是顛覆傳統的發現！獲得與傳統電感器件相同的電感（400納亨），體積可縮小100萬倍，該研究極大的推動電感器的微型化發展，相關論文以「Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet」為題，發表在最新一期的《Nature》上。
【量子力學來幫忙】
貝裡相位：於1984年由英國物理學家Michael V. Berry提出，指的是當一個系統的哈密頓量依賴於一個隨時間周期變化的參量時，在絕熱近似條件下，系統的在演化一個時間周期後，除了會累積一個固有的動力學相位以外，還會多出一個特殊的相位（即貝裡相位）。是量子力學基礎研究的重大突破。
層展電磁（emergent electromagnetism）：一種由量子力學中貝裡相的概念來描述其產生的電場和磁通量的電磁。
目前，這種電磁多存在於具有非共線自旋結構的磁系統中，磁化方向隨著自旋位置的變化而變化。當電子沿著這種結構流動時，它們會與自旋的局部排列產生強耦合，並獲得貝裡相位。然後，貝裡相位充當了有效的電磁場，即層展磁場。
拓撲非共線自旋結構十分穩定，不受小的扭曲或是擾動的影響，然而結構十分複雜。當電子在其中流動時，因為拓撲霍爾效應，湧現磁場會在電壓測量中產生一個額外的信號，即所謂的霍爾測量（Hall measurements）。這個電壓信號為研究人員探索眾多材料的拓撲磁態提供了便利。
在拓撲非共線自旋結構中，當磁場驅動疇壁的運動時，會產生層展電場（emergent electric field）。2019年，日本理化研究所新興物質科學中心的Naoto Nagaosa等人首次從理論角度證明，電流驅動動力學也能夠在這種非共線自旋結構產生層展電場。更為重要的是，根據理論預測，這種磁場產生的電感與電流密度的變化率成正比，而與器件的截面積成反比，與傳統的電感器截然不同。
【量子力學與現代電子學的橋梁】
Yokouchi等人製備了一種包含各種非共線自旋結構（包括螺旋，圓錐形和扇形結構）微米級磁體Gd3Ru4Al12。這種磁體材料的磁各向異性很弱（即物質磁性隨方向改變的現象），且其自旋結構的螺距很短（空間周期性）。由於這種較弱的磁各向異性，自旋可以相對自由地運動，由此產生的層展電感與螺距的長度成反比。
隨後，Yokouchi等人採用鎖定檢測（lock-in）技術來研究電感器產生的層展電感。通過改變施加磁場的溫度和強度，來控制器件的自旋結構狀態，並在不同狀態下進行測量。此外，他們還改變了設備的長度、寬度和厚度來保證重複性，排除了外部因素的幹擾。
最終，Yokouchi等人觀察到了與傳統電感器相當的層展電感（約400納亨），層展電感器的體積僅為傳統電感器體積百萬分之一。
通過改變器件的自旋結構狀態，Yokouchi等人發現，螺旋形自旋結構的電流驅動動力學是對大的感應電感的產生起著主導作用。而扇形結構的局部角度變化遠小於其他結構，因此所產生的電感就要低得多。此外，Yokouchi等人還發現通過控制自旋結構運動的方向，可以實現湧現電感符號在正負之間來回切換，這與普通電感器形成了鮮明的對比。
Yokouchi等人提出的層展電感器提供了推動了微型高電感電感器的發展。這種電感器可集成到微米甚至納米級別的電子設備和集成電路中。相較於傳統的電感器，這種電感器的結構更加簡單，不需要線圈和鐵芯。其次，這項工作激發了研究人員構建高效的混合自旋-電子電路和系統的興趣。最重要的是，它是量子力學中的一個基本概念（貝裡相位）在實際應用領域的證明。
【存在的問題】
然而，要想真正的將這種層展電感器應用在實際生活中，仍然面臨著一些挑戰。其中，最主要的挑戰就是開發一種在室溫下而不是在約10 K溫度下工作的電感器。想要突破這一局限性，需要對潛在的材料進行廣泛的探索，尤其是要找到一種能夠在室溫下對其中短螺距的非共線自旋結構進行穩定操縱的磁體材料。此外，要將這些電感器集成到當前的集成電路中，還需要制定切實可行的方案。
但是不可否認的是，Yokouchi等人已經實現了重大突破，可能導致未來在電子設備，電路和系統方面的工程工作。更加重要的是，該成果同時在量子力學世界和現代電子學之間架起了橋梁。
全文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2775-x
來源：高分子科學前沿
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