Only Perception: 新自旋電池利用磁場充電

2009-03-13

新自旋電池利用磁場充電

Physicist develops battery using new source of energy
http://www.physorg.com/news156011642.html

March 11th, 2009

Miami（邁阿密）大學與日本東京大學及東北大學已經能證明「自旋電池（spin battery）」的存在，若需要充電，則得要對一種稱為磁通道連接（magnetic tunnel junction，MTJ）裝置中的奈米磁鐵施加一大規模的磁場。這種新技術在無可動部件之電腦硬碟的創造上向前邁進一步，那將比目前所使用的硬碟更加快速、便宜且使用更少能量。在未來，這種新電池能用來為動力車開發新電池。

這項研究將發表在即將出刊的 Nature 上，目前可由該期刊的 AOP 取得。

這種裝置由 Miami 物理學家 Stewart E. Barnes（科學與藝術學院）及其同僚所創造，可儲存能量在磁石中而不是透過化學反應。

如同一輛上緊發條的（winding up）玩具車，自旋電池藉由施加一大規模磁場來「上緊發條」 -- 沒有化學作用涉入。該裝置可能比至今所發現的任何東西都要更好，Barnes 說。

"我們已經預料這種效應，不過這種裝置產生超過百倍以上的過大電壓，且持續數十分鐘，而非我們所預期的數毫秒，" Barnes 說。"正是這種違反直覺的事，導致我們在理論上理解發生了什麼事。"

這種技術背後的祕密是利用奈米磁鐵感應電動勢。除了風格更直接之外，它所使用的原理與傳統電池相同。儲存在電池中能量，不管是在 iPod 或電動車內，它是以化學能的形態存在。當某樣東西「開啟」，這裡有化學反應發生並製造出電流。這項新技術將「磁能」直接轉換成「電能」而無須進行化學反應。在這種過程中所製造的電流稱為「自旋極化電流（spin polarized current）」，而且在一種新技術，稱為「自旋電子學（spintronics）」中找到用途。

這項新發現增進我們對於磁鐵運作方式的理解，而其立即應用是將 MTJs 當成電子元件使用，並以有別於傳統電晶體的方式運作。雖然實際裝置的直徑約與人類頭髮相當，而且甚至連 LED 都無法點亮，不過能以這種方式儲存的能源將有潛力讓一輛車運行數哩。其可能性無窮無盡，Barnes 說。

※ 相關報導：

＊ Electromotive force and huge magnetoresistance in magnetic tunnel junctions
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/abs/nature07879.html
http://dx.doi.org/10.1038/nature07879

Pham Nam Hai, Shinobu Ohya, Masaaki Tanaka,
Stewart E. Barnes & Sadamichi Maekawa
Nature advance online publication 8 March 2009
doi: 10.1038/nature07879

...Here we show that such an e.m.f. can indeed be induced by a static magnetic field in magnetic tunnel junctions containing zinc-blende-structured（包含硫化鋅結構的）MnAs（砷化錳）quantum nanomagnets. The observed e.m.f. operates on a timescale of approximately 10^2–10^3 seconds and results from the conversion of the magnetic energy of the superparamagnetic（超順磁的） MnAs nanomagnets into electrical energy when these magnets undergo magnetic quantum tunnelling. As a consequence, a huge magnetoresistance（磁阻）of up to 100,000 per cent is observed for certain bias voltages（偏壓）. Our results strongly support the contention that, in magnetic nanostructures, Faraday's law of induction must be generalized to account for forces of purely spin origin. The huge magnetoresistance and e.m.f. may find potential applications in high sensitivity magnetic sensors, as well as in new active devices such as 'spin batteries'.