10月8日消息，Yokouchi等研究人员在《自然》杂志上发表了一种量子力学电感器，称为涌现型电感器，它利用电流驱动的动力学所产生的电场，观察到磁体中错综复杂的磁矩（spins）结构。电感器很难小型化，因为其有效性与其尺寸成正比。基于量子力学的方法可以克服这个问题，提供许多潜在的应用。
电感是电路的基本元件之一，它提供电感量（与电流变化相抵触）。传统的电感由绕在中央芯上的线圈组成。但遗憾的是，由于这种器件的电感量与横截面积成正比，因此很难在保持合理的高电感量的同时实现小型化。Yokouchi等人报告了一种被称为 "涌现电感 "的量子力学电感，它利用电流驱动的动力学所产生的电场，观察到磁体中磁矩(spins)的复杂结构。值得注意的是，这种器件的电感量与其面积成反比，而且不需要线圈或磁芯--这些特性在实际应用中是非常理想的。
涌现电磁学是指电磁学，其中产生的电通量和磁通量由量子力学中的一个概念描述，称为贝里相。表现出新兴电磁学的物理系统包括具有非共线自旋结构的磁系统，磁化方向随自旋的位置而变化。当电子沿着这种结构流动时，它们可以与局部的自旋排列强烈耦合，并获得贝里相。这种相位就会成为有效的电磁场，称为涌现场。
例如，一个新兴的磁场产生时，电子流通过什么是所谓的拓扑非共线自旋结构，那些具有特殊的拓扑结构，使他们强大的小扭曲或扰动。所产生的磁场导致一个额外的信号在电压测量 - 被称为霍尔测量 - 这是一个物理现象，称为拓扑霍尔效应诱导。鉴于这种自旋结构的复杂性质，这种电压信号提供了一个方便的方式来探索拓扑磁状态在广泛的材料。
与此相反，一个新兴的电场产生的非对角自旋结构的动态。例如，当磁场驱动域壁--磁性材料中具有不同磁化方向的域之间的边界的运动时，就会产生这样的场。2019年，从理论上表明，非共线自旋结构的电流驱动动力学也可以产生一个新兴的电场。更为壮观的是，据预测，这种场将产生一个与电流密度变化率成正比的电感。因为这个密度将与器件的横截面积成反比，所以出现的电感将随着面积的减小而增大，这与普通电感的情况形成鲜明对比（图1）。
图1｜传统电感和新兴电感。a.传统的电感器是由绕在中心磁芯上的线圈构成的，其电感量与其横截面积成正比。 b.横内等人利用磁体中错综复杂的磁矩（自旋）结构制造了一种电感器，称为 "新兴电感器"。这里展示了一种特殊的自旋排列，即所谓的螺旋自旋结构。作者的装置具有与其横截面积成反比的电感，为不需要线圈或磁芯的小型化电感器铺平了道路。
Yokouchi及其同事利用Gd3Ru4Al12(Gd：钆；Ru：钌；Al：铝)制成的微米级磁体利用了这一想法，这种磁体含有各种非直线自旋结构，如螺旋形、锥形和扇形结构。他们之所以选择这种材料，是因为它具有微弱的磁性各向异性(磁特性的方向依赖性)，而且它的自旋结构具有较短的间距(空间周期性)。在弱磁各向异性下，自旋可以相对自由地移动，并且出现的电感与间距长度成反比。
作者利用一种称为锁定检测的技术研究了其电感的涌现性电感。他们通过改变温度和外加磁场的强度来控制器件的自旋结构状态，并对不同的状态进行了测量。他们还改变了装置的长度、宽度和厚度，以确认重现性，并排除了观察到的信号是由接触电极的存在等外部因素引起的可能性。
最引人注目的是，Yokouchi等人观察到了一个大的出现电感（约为-400毫微亨），可与传统电感相媲美，而该器件的体积约为这种电感的百万分之一。通过改变器件的自旋结构状态，作者阐明了新兴电感与自旋结构的非一致性和动力学之间的对应关系。这种对应关系很好地解释了前面提到的涌现电感的机制。
例如，Yokouchi及其同事发现，螺旋状自旋结构的电流驱动动力学是产生大的涌现电感的原因。相比之下，扇形结构产生的电感量要低得多，因为它们的局部角度变化比其他结构小得多。此外，作者还发现，通过控制自旋结构的运动方向，出现的电感的符号可以在正负之间切换，这也与普通电感形成了鲜明的对比。
Yokouchi及其同事的工作很重要，原因有几个。首先，它为开发微型化高电感提供了一种可扩展的方法，可用于许多微观或纳米级的电子器件和集成电路中。这种电感器的设计也将比传统电感器简单得多，因为不需要线圈和磁芯。第二，这项工作为构建高效的混合自旋电子电路和系统提供了令人兴奋的机会。第三，它证明了量子力学中的一个基本概念--贝里相--可以导致现实世界的应用。
然而，这种新兴电感器的实际应用还需要进一步突破。一个重大的挑战是开发在室温下作用的电感器，而不是目前约10开尔文的温度。要克服这一限制，需要对潜在的材料进行广泛的探索，特别是要找到一种磁体，其中的短间距非共线自旋结构可以在室温下容易稳定和操纵。开发将这些电感添加到集成电路中的方案也将是应用的关键。尽管如此，Yokouchi等人已经取得了一项关键的发现，可能会导致未来在电子器件、电路和系统方面的工程努力，同时在量子力学世界和现代电子学之间建立了一座鼓舞人心的桥梁。
