逆自旋霍爾效應 微波能量轉化為電能?

　　隨著來自手機訊號基地臺、行動裝置、Wi-Fi、藍牙與5G等產生越來越多的微波充斥全世界，很自然地，科學家開始探討將這些微波轉化成能量的方法。美國猶他大學(University of Utah)的科學家們發現了一種新方法，可在有機半導體中將微波能量轉化為電能。

　　在實驗室中，研究人員證明了一種新效應——稱為逆自旋霍爾效應(Hall effect)——利用微波作為磁自旋的來源，將磁自旋流轉換成電流。這聽起來像是繞遠路走了，因為手機天線已經將微波轉化為電能了；然而，研究人員想證實的重點並不在於預覽某種應用，而是要證明逆自旋霍爾效應確實可被利用和控制，從而成為21世紀的工具。他們預測這種效應可在一般的電池、太陽能電池與行動裝置等應用派上用場。

　　「我們從該裝置收集的能量是透過微波輻射的方式輸送至該裝置的——在這個意義上，能量轉換與天線的原理一樣，即將電磁輻射轉換成電流，」猶他大學教授Christoph Boehme在接受專訪時表示。「不同的是，我們的裝置所具有的實體機制完全不同。它並不是透過感應完成轉換，而是藉由逆自旋霍爾效應。事實上，澄清這樣的事實——我們看到的不是寄生效應，如電感應(例如簡單的天線效應)或其它已知的現象——正是這一研究的目的。」

　　逆向霍爾效應最早是由蘇聯科學家在1984年證實，最近在半導體領域(2006年)和鐵磁性金屬領域(2013年)也有進一步的研究。其概念相對簡單：正如在原子圍繞傳導電流時引發磁自旋且自旋方向取決於電流方向一樣，若能引發圍繞導線周圍的原子發生磁自旋，導線內也應該會有電流。

　　然而，概念雖簡單，可展示該概念的設備卻很複雜——為此，微波粉墨登場。逆自旋霍爾效應的早期實驗使用的是恆定微波——與微波爐內的一樣。遺憾的是，微波將裝置的其餘部份烤焦了，使得實驗很快夭折，沒什麼成績。他們的失敗也為收集環境中的雜散微波留下陰影，雖然Boehme與其合作夥伴VALY Vardeny教授，都認為該想法有可取之處。

　　「這是個很好的想法，它是否會成為逆自旋霍爾效應的應用還有待證明，」Boehme在回答我利用雜散微波發電的建議時表示。

　　然而，他可能只是出於禮貌，因為他在實驗中使用脈衝微波消除過熱的問題。另外，他建議的應用聽起來比我想的更可行。

　　建構在一小片玻璃(頂部)上的元件能以逆自旋霍爾效應將磁自旋流轉換為電流。關鍵是一個夾層元件(底部)，其中外部磁場和微波脈衝在鐵磁體上產生自旋波，然後在嵌入於有機半導體(聚合物)的銅電極上轉換為電流。 （來源：猶他大學，Kipp van Schooten和Dali Sun）

　　「我們從其它自旋電子學應用(如硬碟讀取磁頭)了解到，自旋電子學可填補磁場到電流轉換技術中簡單感應不再有效的這塊空白——也即感應此時變得很不敏感、效率降低(以硬碟來說，就是讀取頭太小)，」Boehme表示，「可以想像，能以非常低的成本，在軟性基板(基本上是種箔片)上產生奈米尺寸的薄膜有機半導體層，並用其做出逆自旋霍爾效應元件，所以現在，還無法預測應用範圍。如果效率允許(我們現在還不知道！)，那麼也可以想像，應可用其收集周圍環境的微波輻射，將收集到的能量用於其它應用。」