離開了電流，納米機電系統依舊可以異彩紛呈
材料牛注：一直以來，納米機電系統都是以電流為工作的基礎，現在科學家設計了一種新的納米機電系統（NEMS），它由電子之間的相互作用產生機械運動，而沒有電流的參與，這種新工作方式有望得到廣泛應用。
圖注：根據所提出的系統，碳納米管懸掛在位于尖端電極下方和柵極上方的兩個引線之間。該對引線和尖端是具有不同溫度的兩個單獨的電子儲存器。電子可以在納米管和儲存器之間穿梭。盡管防止了兩個儲存器之間的電子交換，但電子之間的相互作用耦合了兩個儲存器，使熱流成為可能。
為了說明物體在納米尺度上的不尋常的工作方式，科學家已經設計了一種新的納米機電系統（NEMS），它是由電子之間的相互作用而產生機械運動，但是與其它類似系統不同的是該系統不需要任何電流。相反，電子之間相互作用會耦合不同溫度的兩個電子儲存器，這會在它們之間產生熱流，導致懸浮的碳納米管振動。
A.Vikstr?m和來自瑞典哥德堡的查爾姆斯理工大學以及烏克蘭哈爾科夫的烏克蘭國家科學院低溫物理和工程研究所的B. Verkin實驗室研究人員共同合作在最近一期的Physical Review Letters上發表了一篇關于NEMS的論文。
Vikstr?m在Phys.org網上稱：“微電子器件將電子與力學 - MEMS（微機電系統）相結合，這在當今時代無處不在，我們的智能手機中的傳感器能探測加速度，辨別方向等就是很好的例子。隨著電子設備變得越來越小，我們正在努力用納米級的NEMS來代替這種微觀結構，現在我們的研究就屬于這一類，我們通過構想、建模來研究新的NEMS設備，我們設想的NEMS熱機是不同尋常的，它能將熱流轉換成機械運動而不產生電流。”
雖然已經有單電子現象在NEMS裝置中引起機械振動的其它提議，但是這些機制通常需要電流。如果該電流被阻塞，則這些機制就不再可行。
新提出的機制的不同之處在于它有意阻止任何電流。該系統由懸掛在兩個電極引線之間的碳納米管組成，其中該對引線作為一個電子儲存器。納米管上方的尖端電極用作第二儲存器，包含具有與第一儲存器中的電子相反自旋的電子。電子可以從它們的儲層自由地穿梭到納米管和背部。但是因為來自不同儲層的電子具有相反的自旋，所以它們不能行進到相對的儲層，因此沒有電荷轉移。
當電子儲存器具有不同的溫度時，就會有有趣的事情發生。當來自一個儲存器的冷電子和來自另一儲存器的熱電子穿梭到納米管時，它們發生相互作用并且熱從熱電子轉移到冷電子。當冷電子回到它們的冷儲層時，它們攜帶額外的能量，而熱電子以較少的能量返回到它們的熱儲層。
如果尖端儲存器比電極儲存器更熱，則所得到的熱流將使該懸浮的納米管朝向該儲存器稍微偏轉，這種偏轉會增加電子在它們之間的穿梭速率。增加的隧道效應產生具有延遲響應的反饋機制，導致納米管振動。最終，由于泵浦效率隨振幅減小，振動振幅穩定。研究人員發現，通過調節儲層的溫度，可以控制反饋機制的方向和強度，并且調控振動的傳輸。
由于系統使用熱流來產生機械運動，因此它可以有效地用作納米級熱力發動機。發動機的效率隨著溫度差的增加而增大，研究人員估計，由于受幾何因素的限制，它的最大效率只有幾個百分點。另外，研究人員期望系統可以有多種用途。
Vikstr?m說：“如果考慮熱機的一般概念，并把它和電子電路聯系在一起，很容易有新的發現。熱量總是作為副產品存在于電路中，這種熱量通常只是浪費能量，但是如果你能夠利用它，比如為其他集成的NEMS設備供電，那么你將擁有一個更節能的系統。”
研究人員稱，擬定的設計可以通過現有技術手段來實現。他們建議可以通過施加垂直于納米管運動的磁場來檢測振動，這將導致納米管上的電荷經歷與偏轉交替的力。然后可以測量它產生的交流電，以提供納米管振動的證據。
原文鏈接：Nano System Operates with Interacting Electrons, But No Electric Current
文獻鏈接：Nanoelectromechanical Heat Engine Based on Electron-Electron Interaction
本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，徐濤編譯，丁菲菲審核。
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