软物质体系巨磁弹效应 | 前沿快讯No.3

编者按

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

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软物质体系巨磁弹效应

     在磁场下，具有磁弹效应的金属会改变其内部磁化强度来响应外部的单轴应力。由于最优的机械磁学转换效率可以在几个兆帕下得到，磁弹效应在土木工程建筑振动控制中得到了广泛的应用。但其在生物电子学的应用由于以下原因被忽视：在生物应力范围内磁性合金的磁化变化有限，对外磁场的要求增加了结构复杂性，磁性合金与人类组织的机械模量具有较大失配。

     加州大学洛杉矶分校Chen Jun团队在分散在硅胶基质中的微磁体软物质体系中观察到了巨大的磁弹效应，达到了刚性合金四倍以上的磁机械耦合因子。其结果采用波浪状链模型进行解释，显示了机械应力如何改变微磁体的间距和偶极子排列，从而改变了复合材料产生的磁场。与聚二甲基硅氧烷上作为磁感应层的液态金属线圈结合，该软磁弹性复合材料适用于可拉伸和防水的磁弹性发电机。这些设备可用作可穿戴式或可植入式发电机和生物医学传感器，为以人体为中心的应用开辟了替代途径。

相关研究成果以Giant magnetoelastic effect in soft systems for bioelectronics为题，发表在发《自然材料》 Nature materials 20, 1670-1676 (2021)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01093-1

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碳纳米管和单层石墨烯之间的库仑牵引

     库仑相互作用在凝聚态系统中产生了大量的新的层展现象，尤其是当电子被限制于低维空间中增加了势能对动能的相对强度时。库仑牵引是研究低维系统中相互作用的一个实验工具。当驱动电流在一个导体中运动并且靠近另一个导体时，两个导体中的载流子之间的库伦相互作用会在没有电压驱动的导体中引发一个电压降。因此牵引电阻就是一个可以直接探测导体间载流子相互作用的指标。已有的实验和理论一般基于二维导体，比如限制在半导体异质界面中的电子、石墨烯，揭示了许多新的层展现象，比如强磁场下激子凝聚等。在一维导体之间的库伦牵引实验，展示了维格纳晶体和卢丁格液体行为的特征。混合维度系统之间的库仑牵引实验也被提出来研究维数对电子-电子相互作用的影响。

     哈佛大学Philip Kim团队测量了一维碳纳米管与二维导体单层石墨烯之间的库仑牵引。一维碳纳米管与二维导体单层石墨烯之间由几个原子厚的氮化硼层分隔，并通过栅压对了石墨烯的载流子密度进行了调控。在高温下，牵引电阻发生变号，与预期的动量从驱动层转移到牵引层并表现出层间交换昂萨格互易性一致。同时发现在低温下，由于与温度依赖的阻力和热电效应相关的非线性牵引响应，石墨烯中性点附近的层互易性被打破。牵引电阻与温度和载流子密度呈幂律关系，是一种一维费米液体和二维狄拉克流体的牵引特征。在高温下的二维牵引信号随着与一维源的距离衰减，比预期的扩散电流分布慢，表明石墨烯在流体动力学输运框架下存在新的相互作用。

相关研究成果以Coulomb Drag between a Carbon Nanotube and Monolayer Graphene为题，发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 127, 257701 (2021)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.127.257701

3

基于双间接和直接交换耦合作用的高灵敏度隧道磁阻传感器

     隧道磁阻起源于自旋依赖隧穿概率。自理论预测了超过200%的巨隧道磁阻以及在室温下氧化镁磁隧道结中实现以来，基于隧道磁阻效应的自旋电子器件在过去20年里得到了广泛的探索。由于巨大的隧道磁阻，氧化镁磁隧道结在磁随机访问存储器、非易失磁逻辑器件、自旋逻辑器件和磁场传感器中的应用得到了充分的应用。磁阻传感器的应用主要集中在导航、无损检测、生物医学成像、和纳米颗粒检测等方面。但是传统的磁阻传感器比如霍尔传感器、各向异性磁阻传感器和巨磁阻传感器等都不能满足超低磁场检测的需求。超低磁场的检测需要具有高灵敏度和低噪声水平的磁性传感器，特别是对于低工作频率的应用。由于具有高灵敏度和低噪声水平的优点，基于氧化镁的磁隧道结传感器是最有希望在室温下检测到皮-特斯拉量级磁场的传感器。

     中科院物理研究所韩秀峰研究团队基于双间接交换耦合效应，研究了隧道磁阻传感器的输运特性。磁隧道结的隧道磁阻比约为150%，并成功实现了对平面内磁场的线性响应。由于设计了CoFeB/NiFe/Ru/IrMn的软固定传感层，获得了1.85%/Oe的高灵敏度。此外，在Full Wheatstone Bridge构型中实现了10.7mV/V/Oe电压输出灵敏度和1Hz下10nT/Hz^0.5、10Hz下3.3nT/Hz1^0.5的噪声水平。这种磁性传感器可用于智能电网领域的电流检测和识别。

相关研究成果以High-Sensitivity Tunnel Magnetoresistance Sensors Based on Double Indirect and Direct Exchange Coupling Effect为题，发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 38 128501 (2021)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/article/10.1088/0256-307X/38/12/128501

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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