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结合自旋电子学和量子热力学在室温下收集能量

2019-10-04 11:09:09 • 来源：

当今充满能源需求的全球社会正努力解决如何减轻人为气候变化的影响以及在何种条件下进行自愿/强制性适应。当前的无化石燃料技术似乎不足/不足以应对这一艰巨的挑战。因此，从技术角度出发应对这一挑战很可能需要成熟的，大胆的，可以在技术上快速跟踪的新物理概念。

结合自旋电子学和量子热力学在室温下收集能量

CNRS的一个国际科学团队，法国的斯特拉斯堡大学和法国的洛林大学，以及瑞典的乌普萨拉大学，在两个相互分离的研究领域之间鲜为人知/文献记载的交集中偶然发现了一个这样的概念。自旋电子学包括利用电子的量子自旋特性的下一代低功耗电子产品。因此，它主要涉及信息存储/通信技术。量子物理学/热力学旨在重新审视当物质被限制在纳米尺度以展现量子特性时的热力学规则，从而了解量子引擎是如何工作的。

该小组的实验和分析表明，有可能组装一个发电机，该发电机利用电子自旋来收集室温下的热波动。参考发动机的示意图，环境温度的收集发生在顺磁(PM)中心-原子级磁体，其取向会因热而波动。发动机的电极称为自旋电子选择器，仅允许旋转一圈(红色为↑，蓝色为↓)的电子进行传导。由于热量将在PM中心(中部)上的电子自旋与能量分离的自旋能级混合在一起，因此PM中心与电极之间的传输(黄线)在每个电极的能量级不同时发生。这导致自发的偏置电压V出现在电极之间，

该团队利用分析和从头算原理在自旋引擎概念和称为电磁隧道结(MTJ)的固态自旋电子器件的室温实验之间建立了联系。在此，铁磁性金属Co和碳原子之间的界面被用作自旋电子选择器，而碳原子取代了MgO隧道势垒中的氧原子作为PM中心。

根据实验，如果可以以高成功率批量生产此类设备，那么在下一代存储器中当前的MgO MTJ密度下，这种概念可以产生连续产生功率的芯片，其单位功率密度比其功率密度大3倍。地球上原始的太阳辐射。现在的挑战是确认该发动机运行的某些基本方面，通过在原子级别上控制合适的固态设备中PM中心的位置和属性，以实现设备可再现性，以实现CMOS后端集成(例如，感谢到MgO MTJ技术的现有进展)，管理诸如热流和互连损耗之类的工程问题，并大大降低了最终芯片的单位面积成本。

要使用这样的技术解决方案在GIEC确定的11年期限内避免气候灾难，将需要一项大规模，专注的工作，类似于在曼哈顿项目中部署的工作，将已经从事MTJ-工作的科学家，政策制定者和工业合作伙伴结合起来基于自旋电子技术。该网站正在建设中的项目将有助于沟通。作为一种希望，从1986年至1988年自旋电子学的发现到首批商业化产品的生产仅用了七到九年的时间。如果解决气候危机的方法是采用新技术，那么从现在开始，应该紧迫地考虑那些可以在技术上快速追踪的全新物理概念，这些紧迫性和优先事项是气候灾难的风险预兆。

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