磁系统将热转化为运动。

一组科学家已经找到了一种新的方法，可以将环境热转化为纳米级设备中的运动——这一发现将为数据存储、传感器、纳米机器人和其他在不断缩小的电子世界中的应用提供新的可能性。

在一篇发表在《自然》杂志上的材料,一个国际研究小组的研究从不同的机构包括格拉斯哥大学和埃克塞特大学的在英国,和在瑞士苏黎世ETH和保罗谢勒研究所,描述如何创建了一个磁系统能够在纳米尺度上提取热能,利用齿轮称为棘轮的概念,并将磁能转化为定向的旋转磁化。

热棘轮是在一种称为“人工自旋冰”的材料中实现的，这种材料是由镍铁合金的一种微型纳米磁体组装而成的。单个纳米网架只有470纳米长(约200倍于人类头发的直径)和170纳米宽，只有一个磁畴;也就是说，磁化只能在磁体的长轴上指向两个方向之一。在磁化他们的样本后，研究人员观察到磁化只在两种可能的方向中旋转，没有明显的原因，为什么一种方法应该优于另一种。

该研究的主要作者、格拉斯哥大学的玛丽·居里研究人员塞巴斯蒂安·格里加回忆说:“我们所研究的系统是一种人工自旋冰，一种几何上令人沮丧的磁性材料。

“我们惊讶地发现，这种交互的几何形状可以被剪裁，以达到一种具有动态手性的活性物质，从而起到棘轮的作用。”手性意味着一个物体与它的镜像不同，就像我们的左手和右手。手性也可以在运动中发生:最著名的例子是响尾蛇，它是一种船型的顶部，它喜欢在单一的方向上旋转。

曼尼托巴大学(前格拉斯哥大学)教授罗伯特·盖斯特指出，决定热棘轮行为的是装配边缘的特性。“我们从一开始就怀疑，边界会强烈地影响磁性的排序和动力学。”

正是这一观点和来自教授的几何学的建议最终导致了研究者们所测量的有趣的行为。

然而，导致观察到的行为的机理并不明显，只有通过数值模拟，边缘的精确作用才变得清晰。据来自埃克塞特大学和皇家学会研究人员的报告第二作者Gino Hrkac教授说，“在我们意识到这些边缘创造了不对称的能源潜力之前，我们试图了解这个系统是如何运作的。”这种不对称性反映在纳米阵列边界上的磁场分布中，使磁化倾向于更倾向的方向旋转。

为了描述系统的磁性状态的演变，科学家使用了x射线和所谓的磁二色效应。这些测量是在瑞士的Paul Scherrer研究所的同步加速器光源SLS和美国的劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源上进行的。

来自苏黎世ETH和Paul Scherrer研究所的Laura Heyderman教授说:“人工自旋冰主要用于回答科学问题，例如关于挫折的物理问题。这是一个很好的证明人工自旋冰是一种功能材料，并向应用程序提供了一个步骤。

这些发现建立了一个意想不到的途径，将磁能转化为磁化的定向运动。目前在二维磁性结构中发现的效果是，它将在纳米尺度器件，如磁性纳米机器人，驱动器，或传感器中得到实际应用。实际上，由于角动量是守恒的，自旋是角动量的一种类型，系统磁矩的变化原则上可以引起系统的物理旋转(通过爱因斯坦-德哈斯效应)。它也可以在磁存储器中找到应用，在那里可以通过激光脉冲来储存比特。

文章发表在《自然材料》杂志上，题为《热驱动的人工自旋棘轮的紧急动态手性》。这项工作是由欧盟的“地平线2020研究与创新计划”、“工程与物理科学研究委员会”、“维也纳科学与技术基金”和“皇家学会”资助的。

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