逆自旋霍尔效应实现磁电能量转换

随着来自手机信号基地台、移动设备、Wi-Fi、蓝牙与5G等产生越来越多的微波充斥全世界，很自然地，科学家开始探讨将这些微波转化成能量的方法。美国犹他大学(University of Utah)的科学家们发现了一种新方法，可在有机半导体中将微波能量转化为电能。

在实验室中，研究人员证明了一种新效应——称为逆自旋霍尔效应(Hall effect)——利用微波作为磁自旋的来源，将磁自旋流转换成电流。这听起来像是绕远路走了，因为手机天线已经将微波转化为电能了；然而，研究人员想证实的重点并不在于预览某种应用，而是要证明逆自旋霍尔效应确实可被利用和控制，从而成为21世纪的工具。他们预测这种效应可在一般的电池、太阳能电池与移动设备等应用派上用场。

犹他大学物理学家Valy Vardeny和Christoph Boehme（图片来源：美国犹他大学，Lee Siegel摄）

“我们从该设备收集的能量是透过微波辐射的方式输送至该设备的——在这个意义上，能量转换与天线的原理一样，即将电磁辐射转换成电流，”犹他大学教授Christoph Boehme在接受《EETimes》的专访时表示。“不同的是，我们的设备所具有的实体机制完全不同。它并不是透过感应完成转换，而是藉由逆自旋霍尔效应。事实上，澄清这样的事实——我们看到的不是寄生效应，如电感应(例如简单的天线效应)或其它已知的现象——正是这一研究的目的。”

逆向霍尔效应最早是由苏联科学家在1984年证实，最近在半导体领域(2006年)和铁磁性金属领域(2013年)也有进一步的研究。其概念相对简单：正如在原子围绕传导电流时引发磁自旋且自旋方向取决于电流方向一样，若能引发围绕导线周围的原子发生磁自旋，导线内也应该会有电流。

然而，概念虽简单，可展示该概念的设备却很复杂——为此，微波粉墨登场。逆自旋霍尔效应的早期实验使用的是恒定微波——与微波炉内的一样。遗憾的是，微波将设备的其余部份烤焦了，使得实验很快夭折，没什么成绩。他们的失败也为收集环境中的杂散微波留下阴影，虽然Boehme与其合作伙伴VALY Vardeny教授，都认为该想法有可取之处。

“这是个很好的想法，它是否会成为逆自旋霍尔效应的应用还有待证明，”Boehme在回答我利用杂散微波发电的建议时表示。

然而，他可能只是出于礼貌，因为他在实验中使用脉冲微波消除过热的问题。另外，他建议的应用听起来比我想的更可行。

建构在一小片玻璃(顶部)上的组件能以逆自旋霍尔效应将磁自旋流转换为电流。关键是一个夹层组件(底部)，其中外部磁场和微波脉冲在铁磁体上产生自旋波，然后在嵌入于有机半导体(聚合物)的铜电极上转换为电流。 （来源：犹他大学，Kipp van Schooten和Dali Sun）

“我们从其它自旋电子学应用(如硬盘读取磁头)了解到，自旋电子学可填补磁场到电流转换技术中简单感应不再有效的这块空白——也即感应此时变得很不敏感、效率降低(以硬盘来说，就是读取头太小)，”Boehme表示，“可以想象，能以非常低的成本，在软性基板(基本上是种箔片)上产生纳米尺寸的薄膜有机半导体层，并用其做出逆自旋霍尔效应组件，所以现在，还无法预测应用范围。如果效率允许(我们现在还不知道！)，那么也可以想象，应可用其收集周围环境的微波辐射，将收集到的能量用于其它应用。”

一言以蔽之，逆自旋霍尔效应是可行的(如本文相关图表和论文)；它是自旋电子学的新应用，在某些方面丰富了业已不断成长可用于收集磁自旋的自旋电子效应和设备工具箱。接下来，需要精确测量其效率并尝试进行一些适当的应用，以便检测逆自旋霍尔效应对于未来的有机半导体多么有帮助。

“我们研究的目标在于展示如何以一种‘直接的方式’检测逆自旋霍尔效应，在缺少或很少简单微波感应效应和其它信号存在的条件下，显示出强大且可直接观察到的逆自旋霍尔效应，”Boehme告诉《EETimes》。“透过搭建设备和进行实验，我们已将逆自旋霍尔效应的强度较之以前提高了100倍；同时也抑制了寄生效应。所以，现在我们的设备可以很轻易地观察到这种效应。在不久的将来，我们(可能还有其它研究团体)将使用此进展对该效应进行真正详细的研究。当然，这些研究的一部份将着眼于该效应到底能多有效地用于潜在技术应用上。”

研究人员在犹他大学的物理实验室，透过为几种有机半导体施加脉冲微波，展示逆自旋霍尔效应，这一效应可望用于未来的电池、太阳能电池和行动电子设备（来源：犹他大学，Christoph Boehme）

因此，答案仍然悬而未决，而研究人员们只是提出了基本的配方。它将有赖于研究人员在未来的实验中评估逆自旋霍尔效应在未来应用中的有效性。就个人而言，我希望这最终能解决来自通讯基地台的“微波超载”，使人们不再受到微波的长期‘烘烤’，但如果必须选择的话，我会在较小规模的芯片应用下睹注，如用于未来超低功耗有机半导体的新自旋电子组件。

研究人员证明了逆自旋霍尔效应可作用于三种有机半导体材料中：PEDOT、PSS以及3种富含铂的有机聚合物，其中两种是π共轭聚合物，另一种是球形碳-60分子(巴克球)，后者被证明最有效。相关细节可参阅《在可调自旋轨道耦合有机半导体中由脉冲磁自旋流产生的逆自旋霍尔效应》(Inverse Spin Hall Effect from pulsed Spin Current in Organic Semiconductors with Tunable Spin-Orbit Coupling)一文。

该研究由美国国家科学基金会(NSF)和犹他大学的NSF材料研究科学与工程中心提供赞助。其他参与这项研究者还包括犹他大学助理教授Dali Sun和Hans Malissa、博士后研究人员Kipp van Schooten和Chuang Zhang，以及博士候选人Marzieh Kavand和Matthew Groesbeck。

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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