未來的電池、移動設備都將離不開磁電式能量采集

在實驗室中，他們已經證明了一種被稱為逆自旋霍爾效應的新效應，它能利用微波作為磁自旋的源，將磁自旋流轉換成電流。這聽起來像是繞遠了，因為手機天線已經將微波轉化為電能，但他們演示的重點并非預演某個應用，而是為了證明逆自旋霍爾效應確實可以被利用和控制，從而成為21世紀的一個工具。他們預測這在電池、太陽能電池和移動設備上會派上用場。

“我們從該設備收集的能量是通過微波輻射的方式輸送進該設備的——在這個意義上，能量轉換與天線的機理一樣，即將電磁輻射轉換成電流，”猶他州立大學教授Christoph Boehme在接收筆者獨家專訪時表示，“不同的是，我們設備作用的物理機制完全不同。轉換不是通過感應完成的，而是借助逆自旋霍爾效應。事實上，要澄清我們看到的不是諸如電感應（例如簡單的天線效應）的寄生效應，或其它已知的現象，是這一研究的目的。”

圖1：猶他州立大學物理學家Valy Vardeny和Christoph Boehme演示了可將磁自旋轉換成電流的多種有機半導體，它們可用于未來的太陽能電池、電池和移動電子設備。（資料來源：美國猶他州大學，Lee Siegel）

逆霍爾效應最早是由前蘇聯科學家在1984年證明的，最近又在半導體領域（2006年）和鐵磁性金屬領域（2013年）進行了研究。其概念相對簡單：正如傳導電流的導線周圍的原子會引發(fā)磁自旋，且自旋方向取決于電流方向，同樣，若能引發(fā)導線周圍的原子發(fā)生磁自旋，則導線內也該會有電流。

然而，概念雖簡單，可所需的演示儀器要復雜——為此，微波粉墨登場。逆自旋霍爾效應的早期實驗使用的是恒定微波，這與微波爐內的一樣。不幸的是，微波將儀器的其余部分烤焦了，實驗很快夭折，沒什么成績。他們的失敗也給收集環(huán)境中的雜散微波留下陰影，雖然Boehme和他的合作伙伴Valy Vardeny研究員教授都認為該想法有可取之處。

“這是個很好的想法，但它是否會成為逆自旋霍爾效應的應用還有待證明。” Boehme在回答筆者利用雜散微波發(fā)電的建議時表示。

然而，由于他在實驗中使用脈沖微波消除了過熱問題，他可能只是出于禮貌。另外，他建議的應用聽起來比我的更可行。

圖2：構建在一小片玻璃條（頂部）上的器件演示了使用逆自旋霍爾效應可將磁自旋流轉換為電流。關鍵是一個夾芯狀裝置（底部），其中外部磁場和微波脈沖在鐵磁體上產生自旋波，然后自旋波在嵌入到有機半導體（聚合物）內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（如硬盤讀磁頭）了解到，自旋電子學可填補磁場到電流轉換——其中簡單感應不再有效，也即感應變得很不敏感、很低效（就硬盤來說，讀取頭太小時就如此）——的技術空白。”Boehme表示，“可以想象以非常低的成本，像柔性襯底（本質上是箔片）上的單片納米尺寸薄膜器件一樣，用有機半導體層做出逆自旋霍爾效應器件，所以現在還無法預測應用范圍。如果效率允許（我們現在還不知道！），那么也可以想象，可以用它來收集周圍環(huán)境的微波輻射，并將其中的能量用于其它應用。”

一言以蔽之：逆自旋霍爾效應能夠奏效；它是自旋電子學的新應用，這在某些方面豐富了業(yè)已不斷豐富的、可用于收集磁自旋的自旋電子效應和器件工具箱。接下來，需要精確測量其效率并嘗試進行一些合適應用，以測定未來對有機半導體來說，逆自旋霍爾效應究竟有多有用。

“我們研究的目標是展示如何以一種‘直接’的方式來測量逆自旋霍爾效應，即在沒有或只有很少簡單的微波感應效應和其它信號存在的條件下，顯示出很強、可直接觀察到的逆自旋霍爾效應。”Boehme表示，“我們通過搭建設備和進行實驗，將逆自旋霍爾效應的強度較之以前提高了100倍，實現了這一目標，同時，我們實現了對寄生效應的壓制。因此現在我們的設備可以很容易地觀察到這種效應。在不久的將來，我們（可能還有其它研究團體）將使用這一進展對該效應進行真正、詳細的研究。當然，這些研究的一部分將針對該效應到底能多有效地用于潛在技術應用這一問題。”

圖3：在猶他州立大學的物理實驗室，當施加脈沖微波時，研究人員在幾種有機半導體上展示了逆自旋霍爾效應，這可用于未來的電池、太陽能電池和移動電子設備。（資料來源：美國猶他州大學，Christoph Boehme）

因此，答案仍懸而未決，這些研究人員只是搞出了基準方法。這將由他們和其他人在未來的實驗中，評估在未來應用中逆自旋霍爾效應的有效性。就個人而言，我希望這最終能解決來自通信塔的“微波過載”，也就是說不再使我們每個人自作自受，但如果必須選擇，那我會賭小的片上應用，如用于未來超低功耗有機半導體的新的自旋電子器件。

研究人員證明了逆自旋霍爾效應可在三種有機半導體材料中奏效：PEDOT : PSS，以及在三種富鉑有機聚合物中，有兩種是π共軛聚合物，另一種是球形碳-60分子（巴克球），后者被證明最有效。全部細節(jié)，可參閱“Inverse Spin Hall Effect from pulsed Spin Current in Organic Semiconductors with Tunable Spin-Orbit Coupling”（《帶可調自旋軌道耦合的有機半導體中的脈沖自旋流所引起的逆自旋霍爾效應》）一文。

該研究經費由美國國家科學基金會（NSF）和猶他州立大學的NSF材料研究科學與工程中心提供。本文得到了（猶他州立大學）研究助理教授Dali Sun和Hans Malissa、博士后研究人員Kipp van Schooten和Chuang Zhang、博士生Marzieh Kavand和Matthew Groesbeck的幫助。