有人追求大，有人追求小。
當今世界，電子元器件就是不斷追求更小的極致代表之一。電路的基本組件之一是電感器，它提供電感(與電流變化相反)。1831年，法拉第首先發現電磁感應現象，傳統的電感器由纏繞在中心鐵芯上的線圈組成。不幸的是，因為這種器件的電感與它們的橫截面積成比例，所以很難使它們在小型化的同時保持合理的高電感。
這與當前電子元器件不斷微型化的趨勢不符！
層展電磁
層展電磁指的是由量子力學中貝里相的概念來描述其產生的電場和磁通量的電磁。表現出層展電磁的物理系統包括具有非共線自旋結構的磁系統，由此磁化方向隨著自旋的位置而變化。當電子沿著這種結構流動時，它們可以變得強烈地耦合到自旋的局部排列，并獲得貝里相位。這個相位就充當了一個有效的電磁場，稱為層展磁場。
例如，當電子流過所謂的拓撲非共線自旋結構時，就會產生一個層展磁場，這些結構具有特殊的拓撲結構，使它們能夠抵抗小的扭曲或擾動。產生的磁場會在電壓測量中產生額外的信號，稱為霍爾測量，這是由一種稱為拓撲霍爾效應的物理現象引起的。鑒于這種自旋結構的復雜性，這種電壓信號提供了一種方便的方法來探索各種材料的拓撲磁性狀態。
相比之下，非共線自旋結構的動力學會產生一個層展磁場。例如，當磁場驅動磁疇壁(磁性材料中具有不同磁化方向的磁疇之間的邊界)運動時，產生這樣的場。2019年的理論研究表明，非共線自旋結構的電流驅動動力學也可以產生一個層展電場。更引人注目的是，有人預測這個電場會產生一個與電流密度變化率成正比的電感。因為該密度與器件的橫截面積成反比，所以層展電感會隨著面積的減小而增加，這與普通電感的情況形成鮮明對比。
圖1 傳統和層展電感器。
新突破
最近，日本理化研究所新興物質科學中心Tomoyuki Yokouchi和Yoshinori Tokura團隊報告了一種量子力學電感器，稱為層展電感器，它使用電流驅動動力學產生的電場，觀察磁體中磁矩(自旋)的復雜結構。值得注意的是，這種器件的電感與其面積成反比，不需要線圈或磁芯——這些特性在實際應用中非常理想。IBM托馬斯-沃森研究中心Seonghoon Woo在同一期上對該研究發表評論文章。
Yokouchi等人利用一種由Gd3Ru4Al12制作的微米級磁鐵實現了該想法，包含各種非共線自旋結構，如螺旋、圓錐和扇形結構。他們選擇這種材料是因為它具有弱的磁各向異性(磁性的方向依賴性)，并且因為它的自旋結構具有短的間距(空間周期性)。自旋在弱磁各向異性下可以相對自由地運動，層展電感與節距成反比。
圖2 層展電感器的概念示意圖。
作者用一種叫做鎖定檢測的技術研究了他們電感器的層展電感。他們通過改變外加磁場的溫度和強度，來控制裝置的自旋結構狀態，并對不同的狀態進行測量。他們還改變了設備的長度、寬度和厚度，以確認重復性，并排除觀察到的信號由外部因素(如接觸電極的存在)引起的可能性。
最引人注目的是，Yokouchi等人觀察到了一個大的層展電感(約為-400納亨)，與傳統電感相當，但電感體積僅為百萬分之一。通過改變器件的自旋結構狀態，闡明了層展電感與自旋結構的非共線性和動力學之間的對應關系。這種對應關系可以用前面提到的層展電感機制很好地解釋。
圖3 Gd3Ru4Al12層展電感器。
研究發現，螺旋自旋結構的電流驅動動力學是產生大電感的原因。相反，扇形結構產生低得多的電感，因為它們的局部角度變化比其它結構小得多。此外，作者發現層展電感的符號，可以通過控制自旋結構運動的方向，在正和負之間切換，這也與普通電感截然不同。
結語
這項工作的重要性，主要體現在以下三個方面：
1）它提供了一種可擴展的方法來開發小型化的高電感電感器，這種電感器可以用于許多微型或納米級電子器件和集成電路。這種電感器在設計上也比傳統電感器簡單得多，因為不需要線圈和磁芯。
2）這項工作為構建高效的混合自旋電子電路和系統提供了激動人心的機會。
3）它證明了量子力學中的一個基本概念——貝里相——可以應用于現實世界。
然而，這種層展感應器的實際應用還需要進一步的突破，一個主要的挑戰是開發在室溫下工作的電感器，而不是在當前大約10開爾文的溫度下工作。
克服這一限制需要對潛在的材料進行廣泛的探索，特別是要找到一種在室溫下短節距、非共線自旋結構，可以容易地穩定和操縱的磁體。開發將這些電感器添加到集成電路的方案對于應用來說也是至關重要的。盡管如此，這項研究不失為一項重大發現，為促進未來在電子器件、電路和系統方面的工程努力，同時在量子力學和現代電子學之間架起一座令人鼓舞的橋梁。
參考文獻：
[1] Seonghoon Woo. Inductors enter the world of quantum mechanics, Nature, 2020, 586: 202-203
DOI: 10.1038/d41586-020-02721-7
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02721-7
[2] Tomoyuki Yokouchi, et al. Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet, Nature, 2020, 586: 232-236.
DOI: 10.1038/s41586-020-2775-x
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2775-x
