乘坐量子磁：下一代電子技術的飛躍更接近現實

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】1991年猶他大學的化學家喬爾·米勒(Joel Miller)發明了第一個以碳為基礎的磁鐵，也就是在室溫下保持穩定的有機化合物。這是磁學的一大進步，從那以後他就一直在探索應用。25年後物理學家Christoph Boehme和Valy Vardeny演示了一種將量子波轉換成電流的方法。他們也知道他們發現了一些重要的東西，但不知道它的應用。現在這些技術已經走到了一起，可能是邁向新一代更快、更高效、更靈活的電子產品的第一步。Miller, Boehme, Vardeny和他們的同事一起工作，證明了一種基於有機的磁鐵可以攜帶量子力學磁化的波，稱為magnons，並將這些波轉換成電信號。這是magnonics領域的一個突破(電子系統使用的是magnons而不是電子)，因為magnons以前是通過更難以處理的無機材料發送的。

研究人員從左到右:喬爾·米勒、羅伊斯·戴維森、漢斯·瑪麗莎、浩良·劉和克里斯托弗·伯姆。圖片版權：Eric V. Campbell

去這些有機材料，我們有機會將magnonics推向一個比無機材料更可控的領域。他們的研究成果今天發表在《自然材料》雜誌上。magnonics是如何工作的？在繼續之前，讓我們討論一下什麼是magnon，以及它如何在電子產品中使用。目前的電子設備使用電子來攜帶信息。Magnons也可以通過材料來進行信息，但是Magnons不是由電子組成的，而是由稱為自旋的量子特性組成的波。想像一個足球場，擠滿了熱情的球迷，舉起他們的手臂為他們的球隊加油。假設它們的手臂指向的方向是它們的自旋方向。如果每個風扇在空氣中同時舉起手臂，那麼每個人的自旋方向都是一樣的，本質上是一塊磁鐵。

現在人群開始「揮手」，除了站立和坐著的時候，一個球迷的通道向右傾斜著他們的手臂。下一個通道將在旋轉的變化中拾取，並將其傳遞到下一行。不久之後，這個磁體就有了一個繞著體育場旋轉的旋轉木馬。Boehme和Vardeny，傑出的物理學教授，也研究了電子學的替代領域，稱為自旋電子學，其中magnonics是一個子領域。2016年他們展示了如何直接觀察「逆自旋霍爾效應」，一種將自旋波轉換成電流的方法。他們開始與米勒在猶他大學的國家科學基金資助材料研究科學與工程中心(MRSEC)合作。1991年米勒用有機或碳基元件製造了第一種磁性材料。這三家公司決定測試米勒的有機磁鐵，看看它是否可以作為一種非磁性材料的替代品。他們測試了電子自旋共振(ESR)，這是一種測量馬格龍在材料中持續時間的方法。ESR線越窄，壽命越長。

Vardeny說：這條線確實很窄，這是一條創紀錄的窄線。但是使用有機磁鐵，即釩四氮乙烯或V(TCNE)x，仍然面臨一些挑戰。這種材料對氧氣非常敏感，類似於稀土磁鐵。如果是新造的，很可能會著火，它會失去磁性。研究小組需要在低氧條件下處理V(TCNE)x薄膜。進行實驗需要一場活動，研究小組的成員每個人都在適當的時間在合適的地點進行實驗的下一階段。數一下論文作者的數量，每次我們進行實驗時，每個人都必須站在那裡，隨時準備好參與這個過程。開始時，米勒的一個學生早上4點到達，準備一種前體材料，並持續2到3天，因為研究團隊傳遞了材料和數據的接力棒。並不是所有的實驗都是成功的。早期，研究小組了解到他們使用的銅連接器，利用反向自旋霍爾效應將magnons轉化為電能，與V(TCNE)x反應，因此無法工作。在下一次運行中切換到白金觸點是成功的。

最後，研究小組報告說能夠在有機磁鐵中產生穩定的鎂，並將這些自旋波轉換成電子信號——這是一個重要的墊腳石。V(TCNE)x中的磁子的穩定性與YIG的穩定性一樣好。研究人員希望，這一進展會導致更多的magnonics取代電子產品，因為magnonic系統可能比目前的系統更小、更快速，而且熱量損失更少，所需的能量也更少。傳統的電子設備是按伏特的比例運行的。Magnons的工作範圍是毫伏，其能量約為1000倍。團隊下一步希望使用V(TCNE)x來研究magnonic電路，並測試其他材料。有許多基於有機的磁鐵。沒有理由相信，如果你隨便選一個，那一定是最好的。然而，人們還沒有看到，magnonics的承諾會帶來更快、更小、更高效的電子產品。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Materials

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：猶他州大學

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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