Induktans baseret på en kvanteeffekt har potentialet til at miniaturisere induktorer

Mobiltelefonopladere og andre enheder kan blive meget mindre, efter at et all-RIKEN hold af fysikere med succes har krympet en elektrisk komponent kendt som en induktor til mikroskaladimensioner ved hjælp af en kvanteeffekt.

Induktorer er en grundlæggende komponent i moderne elektriske kredsløb, og de bruges i en lang række applikationer, herunder informationsbehandling, trådløse kredsløb og opladere til mobile enheder. De er baseret på loven om induktion, som den engelske fysiker Michael Faraday opdagede i 1831. Men mens fysikken har taget store spring siden da, de grundlæggende principper for induktorer forbliver stort set de samme - de er dybest set trådspoler.

I modsætning til andre elektriske kredsløbskomponenter, induktorer har været svære at miniaturisere, fordi størrelsen af ​​deres induktans aftager med deres volumen, sådan, at hvis du halverer deres volumen, induktansen falder også med det halve.

Nu, Yoshinori Tokura, Tomoyuki Yokouchi og deres medarbejdere, alle på RIKEN Center for Emergent Matter Science, har genereret en induktans svarende til den for kommercielle induktorer, men i en komponent, hvis volumen er omkring en million gange mindre.

De opnåede dette ved at bruge en ny mekanisme til at generere induktans, der afhænger af kvanteeffekter. Induktorer baseret på denne mekanisme vil være nemme at krympe, da deres induktans faktisk stiger med faldende tværsnitsareal.

"Vi opdagede en elektromagnetisk induktans af kvantemekanisk oprindelse, " siger Yokouchi. "Dette har et stort potentiale for miniaturisering af induktorer, en af ​​de mest fundamentale dele i moderne elektriske kredsløb."

En af forfatterne, Naoto Nagaosa, havde tidligere teoretisk foreslået en helt ny mekanisme til elektromagnetisk induktion baseret på emergent elektromagnetisme, en ny form for elektromagnetisme, der opstår fra de kvantemekaniske egenskaber af ledningselektroner i specielt konstruerede systemer. I nærværende undersøgelse, holdet indså denne effekt ved at bruge en magnet i mikrometerskala. Elektronspindene, der giver anledning til magnetismen, er arrangeret i spirallignende arrangement, efterligner spolerne i en konventionel induktor.

Yokouchi bemærker, at undersøgelsens succes afhang af samarbejdsmiljøet på RIKEN. "Stærkt samarbejde mellem teoretikere og eksperimentalister var afgørende for dette projekt, " siger han. Især eksperimentalisterne har en masse ekspertise i at fremstille avancerede kvantematerialer.

Holdets induktor i nanoskala fungerer kun ved meget lave temperaturer, så de leder nu efter materialer, der opfører sig ens ved høje temperaturer. "For faktiske applikationer, vi skal finde et materiale, der genererer emergent induktans ved og over stuetemperatur, " siger Yokouchi. "Vi er allerede begyndt at lede efter de potentielle materialer."