Физики создали прототип батареи на спинах

Невероятная электродвижущая сила (ЭДС) спинового происхождения в специально подготовленной наноструктуре может открыть дорогу к созданию аккумуляторов, хранящих энергию "в квантовой форме". Так полагают учёные, поставившие новый эксперимент — Стюарт Барнс (Stewart E. Barnes) из университета Майами (University of Miami) и его коллеги из университетов Токио (University of Tokyo) и Тохоку (Tohoku University).

Удивил физиков сандвич диаметром с человеческий волос, содержащий несколько чередующихся наноразмерных слоёв магнитных и немагнитных материалов — он превратился в эффективную "батарейку".

Внутри сандвича физики сформировали так называемый магнитный туннельный переход — одну из самых многообещающих структур, которая неоднократно вызывала интерес учёных, работающих в области спинтроники, и которая даже успела "закрепиться" в конструкции ряда электронных устройств.

Но на этот раз туннельный магнитный переход был необычным — он содержал армию квантовых наномагнитов определённого состава. Такая комбинация привела к проявлению в крошечном устройстве необычного эффекта — генерации ЭДС в статическом магнитном поле.

Микроотступление: по закону Фарадея ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, которое может быть обеспечено переменой самого поля или движением проводника. В статической системе электродвижущей силы, по идее, быть не может. Но последние открытия заставляют расширить этот закон: ЭДС может создаваться даже в статичном поле и неподвижном проводнике за счёт спин-зависимых эффектов.

Это и было доказано в новом опыте, в котором статическое магнитное поле вызывало в устройстве спин-поляризованный электрический ток.

Схема сандвича, "сложенного" Барнсом и его товарищами (иллюстрация Pham Nam Hai).

ЭДС происходила от перемещения магнитных доменов в материале и (если упрощать) была обусловлена разностью в скорости намагничивания разных молекул, входящих в состав перехода. Физики уточняют также, что в новом устройстве магнитная энергия напрямую преобразовывалась в электрическую в процессе магнитного квантового туннелирования.

И этот процесс генерации ЭДС Стюарт и его соратники уже предсказывали. Только вот по расчётам он должен был быть куда слабее. Барнс сообщает, что напряжение, создаваемое реально построенной структурой, оказалось в 100 с лишним раз выше предсказанного. "Это было противоинтуитивно. Но открытие приведёт нас к теоретическому пониманию того, что действительно происходит", — добавляет исследователь.

Также время действия ЭДС в разных опытах составляло от 100 до 1000 секунд, против миллисекунд по прогнозу учёных. Величина же колоссального магнитного сопротивления достигала 100 000 процентов.

"Наши результаты решительно поддерживают утверждение, что в магнитных наноструктурах закон индукции Фарадея должен быть обобщён с учётом сил чисто спинового происхождения", — заключают экспериментаторы.

Что до практического применения открытия, то оно может привести к новым устройствам сразу в двух, казалось бы, совершенно непохожих областях: на основе магнитного туннельного перехода можно создавать высокоплотную энергонезависимую память (и об этом учёные говорят уже не один год), а ещё — новое крошечное устройство при условии удачного масштабирования может обратиться так называемой спиновой батареей, консервирующей огромную энергию в квантовых магнитных эффектах. И тут уже выгоду смогут извлечь автомобилестроители.

Подробности исследования изложены в статье в Nature.