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磁系統(tǒng)將熱轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。
一組科學(xué)家已經(jīng)找到了一種新的方法，可以將環(huán)境熱轉(zhuǎn)化為納米級(jí)設(shè)備中的運(yùn)動(dòng)——這一發(fā)現(xiàn)將為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感器、納米機(jī)器人和其他在不斷縮小的電子世界中的應(yīng)用提供新的可能性。
在一篇發(fā)表在《自然》雜志上的材料,一個(gè)國(guó)際研究小組的研究從不同的機(jī)構(gòu)包括格拉斯哥大學(xué)和�？巳卮髮W(xué)的在英國(guó),和在瑞士蘇黎世ETH和保羅謝勒研究所,描述如何創(chuàng)建了一個(gè)磁系統(tǒng)能夠在納米尺度上提取熱能,利用齒輪稱為棘輪的概念,并將磁能轉(zhuǎn)化為定向的旋轉(zhuǎn)磁化。
熱棘輪是在一種稱為“人工自旋冰”的材料中實(shí)現(xiàn)的，這種材料是由鎳鐵合金的一種微型納米磁體組裝而成的。單個(gè)納米網(wǎng)架只有470納米長(zhǎng)(約200倍于人類頭發(fā)的直徑)和170納米寬，只有一個(gè)磁疇;也就是說(shuō)，磁化只能在磁體的長(zhǎng)軸上指向兩個(gè)方向之一。在磁化他們的樣本后，研究人員觀察到磁化只在兩種可能的方向中旋轉(zhuǎn)，沒(méi)有明顯的原因，為什么一種方法應(yīng)該優(yōu)于另一種。
該研究的主要作者、格拉斯哥大學(xué)的瑪麗·居里研究人員塞巴斯蒂安·格里加回憶說(shuō):“我們所研究的系統(tǒng)是一種人工自旋冰，一種幾何上令人沮喪的磁性材料。
“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，這種交互的幾何形狀可以被剪裁，以達(dá)到一種具有動(dòng)態(tài)手性的活性物質(zhì)，從而起到棘輪的作用。”手性意味著一個(gè)物體與它的鏡像不同，就像我們的左手和右手。手性也可以在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生:最著名的例子是響尾蛇，它是一種船型的頂部，它喜歡在單一的方向上旋轉(zhuǎn)。
曼尼托巴大學(xué)(前格拉斯哥大學(xué))教授羅伯特·蓋斯特指出，決定熱棘輪行為的是裝配邊緣的特性。“我們從一開(kāi)始就懷疑，邊界會(huì)強(qiáng)烈地影響磁性的排序和動(dòng)力學(xué)。”
正是這一觀點(diǎn)和來(lái)自教授的幾何學(xué)的建議最終導(dǎo)致了研究者們所測(cè)量的有趣的行為。
然而，導(dǎo)致觀察到的行為的機(jī)理并不明顯，只有通過(guò)數(shù)值模擬，邊緣的精確作用才變得清晰。據(jù)來(lái)自�？巳卮髮W(xué)和皇家學(xué)會(huì)研究人員的報(bào)告第二作者Gino Hrkac教授說(shuō)，“在我們意識(shí)到這些邊緣創(chuàng)造了不對(duì)稱的能源潛力之前，我們?cè)噲D了解這個(gè)系統(tǒng)是如何運(yùn)作的。”這種不對(duì)稱性反映在納米陣列邊界上的磁場(chǎng)分布中，使磁化傾向于更傾向的方向旋轉(zhuǎn)。
為了描述系統(tǒng)的磁性狀態(tài)的演變，科學(xué)家使用了x射線和所謂的磁二色效應(yīng)。這些測(cè)量是在瑞士的Paul Scherrer研究所的同步加速器光源SLS和美國(guó)的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光源上進(jìn)行的。
來(lái)自蘇黎世ETH和Paul Scherrer研究所的Laura Heyderman教授說(shuō):“人工自旋冰主要用于回答科學(xué)問(wèn)題，例如關(guān)于挫折的物理問(wèn)題。這是一個(gè)很好的證明人工自旋冰是一種功能材料，并向應(yīng)用程序提供了一個(gè)步驟。
這些發(fā)現(xiàn)建立了一個(gè)意想不到的途徑，將磁能轉(zhuǎn)化為磁化的定向運(yùn)動(dòng)。目前在二維磁性結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的效果是，它將在納米尺度器件，如磁性納米機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)器，或傳感器中得到實(shí)際應(yīng)用。實(shí)際上，由于角動(dòng)量是守恒的，自旋是角動(dòng)量的一種類型，系統(tǒng)磁矩的變化原則上可以引起系統(tǒng)的物理旋轉(zhuǎn)(通過(guò)愛(ài)因斯坦-德哈斯效應(yīng))。它也可以在磁存儲(chǔ)器中找到應(yīng)用，在那里可以通過(guò)激光脈沖來(lái)儲(chǔ)存比特。
文章發(fā)表在《自然材料》雜志上，題為《熱驅(qū)動(dòng)的人工自旋棘輪的緊急動(dòng)態(tài)手性》。這項(xiàng)工作是由歐盟的“地平線2020研究與創(chuàng)新計(jì)劃”、“工程與物理科學(xué)研究委員會(huì)”、“維也納科學(xué)與技術(shù)基金”和“皇家學(xué)會(huì)”資助的。
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