日本科學技術(shù)振興機構(gòu)基礎(chǔ)研究計劃中ERATO Saitoh自旋量子整流項目的科學家，闡明了在微米級通道中利用自旋流進行流體動力發(fā)電的機理，發(fā)現(xiàn)隨著流動規(guī)模的減小，發(fā)電效率大大提高。

在微通道中，流動呈現(xiàn)一種稱為層流的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，微渦狀的液體運動廣泛而平滑地分布在整個通道中。這產(chǎn)生了更適合小型化的特性，并且提高了發(fā)電效率。

Mamoru Matsuo等人在2017年預(yù)測了利用自旋流進行流體發(fā)電的基本理論，在本研究中，研究人員通過實驗演示了層流區(qū)的流體發(fā)電現(xiàn)象，其研究成果發(fā)表在《自然通訊》期刊上。實驗結(jié)果證實，在層流區(qū)，能量轉(zhuǎn)換效率提高了大約10萬倍。在本研究中闡明的層流中自旋流體發(fā)電現(xiàn)象的特點是：可以獲得與流速成正比的電動勢，并且轉(zhuǎn)換效率隨著流動尺寸的減小而增加。

此外，雖然水力發(fā)電（也稱為流體發(fā)電）和磁流體動力發(fā)電需要額外的設(shè)備，如渦輪機和線圈，但研究中的現(xiàn)象幾乎不需要額外設(shè)備，無論是在流道內(nèi)部還是外部。由于這些特性，有望應(yīng)用于基于自旋電子學的納米流體器件，例如快速增殖反應(yīng)堆或半導體器件中的液態(tài)金屬流動冷卻機制，以及應(yīng)用于電測量微流量的流量計。流體運動可以通過流體旋轉(zhuǎn)和電子自旋耦合產(chǎn)生電子自旋的角動量通量。

這種流體動力產(chǎn)生，稱為自旋流體動力產(chǎn)生(SHDG)，在許多領(lǐng)域引起了人們的關(guān)注，特別是在自旋電子學領(lǐng)域。由于自旋擴散的長度尺度，自旋電子學處理的是微米或納米尺度上發(fā)生自旋介導的相互轉(zhuǎn)化。為了完全融入到相互轉(zhuǎn)化中，SHDG物理也應(yīng)該建立在這樣一個微小的尺度上，在這個尺度上，大多數(shù)流體都表現(xiàn)為層流流動。研究報告了由于自旋流體動力產(chǎn)生在液態(tài)金屬汞層流中產(chǎn)生的電壓。

實驗結(jié)果表明，層流自旋流體動力產(chǎn)生具有獨特的標度規(guī)律。此外，能量轉(zhuǎn)換效率比湍流的能量轉(zhuǎn)換效率高約10^5倍，研究結(jié)果表明，層流自旋流體動力產(chǎn)生適合于小型化和擴大流體自旋電子學的覆蓋范圍。自旋電流是一種自旋角動量流，它實現(xiàn)了各種物理實體之間的相互轉(zhuǎn)換，如電、磁化、熱、彈性運動、和液體運動。這種自旋介導的相互轉(zhuǎn)換是在微米或納米尺度上實現(xiàn)，并在自旋電子學領(lǐng)域得到了廣泛的研究。

流體的機械運動也可以作為這個相互轉(zhuǎn)換框架的組成部分：自旋流體動力產(chǎn)生。旋流體動力產(chǎn)生不僅在自旋領(lǐng)域，而且在包括核物理在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域。

博科園｜研究/來自：日本科學技術(shù)振興機構(gòu)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-16753-0

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