日光燈管中的磁致伸縮效應,可設計新一代高效能磁電晶片

作者 | 發布日期 2021 年 05 月 13 日 19:18 | 分類 尖端科技 , 材料 Telegram share ! follow us in feedly


如果你聽過日光燈管通電後發出滋滋聲,那跟一種稱為磁致伸縮的物理效應有關。最近美國密西根大學團隊開發一種用於磁電設備的新材料,其磁致伸縮效應是同類材料的 2 倍,能源效率更高且成本更低,若未來能實際應用,將有助於削減全球運算基礎設施電力需求。

磁致伸縮效應(magnetostrictive effect)會引起螢光燈(Fluorescent Light,或稱日光燈)和變壓器發出聲音,根據國教院名詞解釋,磁致伸縮效應是指磁鐵性材料(如:鎳)磁化後,內部會自然形成許多微小的磁區(domain),每個磁區中原子的磁化方向完全一致,但不同磁區的磁化方向可以不同。

當此磁化材料受到外加磁場作用時,每一磁區會產生一扭轉力矩 N=m×B(m 為磁炬,B 為磁束密度),受此力矩影響,晶格方向會稍微旋轉,材料的尺寸也會改變,這種因磁場作用導致的尺寸改變就稱為磁致伸縮效應。

現在科學家發現,利用這種特性開發的磁電晶片,可能是新一代運算設備關鍵。

磁電設備利用磁場而非電來儲存數據,而讓磁電設備正常工作的關鍵是找到具電磁特性的材料,磁致伸縮效應越多,磁電晶片就可以用更少能量完成相同工作。現在,密西根大學領導的團隊找到了結合鐵和鎵後能產生高磁致伸縮效應的新材料,可作為當今大多使用稀少且價格昂貴稀土元素的磁致伸縮材料替代品。

為了製造這種鐵鎵材料,研究人員使用一種稱為低溫分子束磊晶(Molecular beam epitaxy,MBE)的技術,研究人員 John Heron 解釋,這有點像對單個原子噴漆,將原子凍結在適當位置上,從而防止在添加更多鎵時形成有序結構。如此一來,團隊就可以使材料中的鎵含量增加 1 倍,與未改性的鐵鎵合金相比,磁致伸縮增加了 10 倍。

利用此特性開發的新型磁電晶片能削減運算基礎設施的電力需求,並提高從數據中心傳輸到智慧型手機的能源效率。目前團隊正與英特爾(Intel)合作尋找將樣本縮小至適當尺寸的方法,不過這種設備要走到商業化那一步,可能還需要花個 10 年時間。

新論文發表在《自然通訊》(Nature Communication)期刊。

(首圖來源:密西根大學