离开了电流，纳米机电系统依旧可以异彩纷呈

材料牛注：一直以来，纳米机电系统都是以电流为工作的基础，现在科学家设计了一种新的纳米机电系统（NEMS），它由电子之间的相互作用产生机械运动，而没有电流的参与，这种新工作方式有望得到广泛应用。图注：根据所提出的系统，碳纳米管悬挂在位于尖端电极下方和栅极上方的两个引线之间。该对引线和尖端是具有不同温度的两个单独的电子储存器。电子可以在纳米管和储存器之间穿梭。尽管防止了两个储存器之间的电子交换，但电子之间的相互作用耦合了两个储存器，使热流成为可能。

为了说明物体在纳米尺度上的不寻常的工作方式，科学家已经设计了一种新的纳米机电系统（NEMS），它是由电子之间的相互作用而产生机械运动，但是与其它类似系统不同的是该系统不需要任何电流。相反，电子之间相互作用会耦合不同温度的两个电子储存器，这会在它们之间产生热流，导致悬浮的碳纳米管振动。

A.Vikström和来自瑞典哥德堡的查尔姆斯理工大学以及乌克兰哈尔科夫的乌克兰国家科学院低温物理和工程研究所的B. Verkin实验室研究人员共同合作在最近一期的Physical Review Letters上发表了一篇关于NEMS的论文。

Vikström在Phys.org网上称：“微电子器件将电子与力学 - MEMS（微机电系统）相结合，这在当今时代无处不在，我们的智能手机中的传感器能探测加速度，辨别方向等就是很好的例子。随着电子设备变得越来越小，我们正在努力用纳米级的NEMS来代替这种微观结构，现在我们的研究就属于这一类，我们通过构想、建模来研究新的NEMS设备，我们设想的NEMS热机是不同寻常的，它能将热流转换成机械运动而不产生电流。”

虽然已经有单电子现象在NEMS装置中引起机械振动的其它提议，但是这些机制通常需要电流。如果该电流被阻塞，则这些机制就不再可行。

新提出的机制的不同之处在于它有意阻止任何电流。该系统由悬挂在两个电极引线之间的碳纳米管组成，其中该对引线作为一个电子储存器。纳米管上方的尖端电极用作第二储存器，包含具有与第一储存器中的电子相反自旋的电子。电子可以从它们的储层自由地穿梭到纳米管和背部。但是因为来自不同储层的电子具有相反的自旋，所以它们不能行进到相对的储层，因此没有电荷转移。

当电子储存器具有不同的温度时，就会有有趣的事情发生。当来自一个储存器的冷电子和来自另一储存器的热电子穿梭到纳米管时，它们发生相互作用并且热从热电子转移到冷电子。当冷电子回到它们的冷储层时，它们携带额外的能量，而热电子以较少的能量返回到它们的热储层。

如果尖端储存器比电极储存器更热，则所得到的热流将使该悬浮的纳米管朝向该储存器稍微偏转，这种偏转会增加电子在它们之间的穿梭速率。增加的隧道效应产生具有延迟响应的反馈机制，导致纳米管振动。最终，由于泵浦效率随振幅减小，振动振幅稳定。研究人员发现，通过调节储层的温度，可以控制反馈机制的方向和强度，并且调控振动的传输。

由于系统使用热流来产生机械运动，因此它可以有效地用作纳米级热力发动机。发动机的效率随着温度差的增加而增大，研究人员估计，由于受几何因素的限制，它的最大效率只有几个百分点。另外，研究人员期望系统可以有多种用途。

Vikström说：“如果考虑热机的一般概念，并把它和电子电路联系在一起，很容易有新的发现。热量总是作为副产品存在于电路中，这种热量通常只是浪费能量，但是如果你能够利用它，比如为其他集成的NEMS设备供电，那么你将拥有一个更节能的系统。”

研究人员称，拟定的设计可以通过现有技术手段来实现。他们建议可以通过施加垂直于纳米管运动的磁场来检测振动，这将导致纳米管上的电荷经历与偏转交替的力。然后可以测量它产生的交流电，以提供纳米管振动的证据。

原文链接：Nano System Operates with Interacting Electrons, But No Electric Current

文献链接：Nanoelectromechanical Heat Engine Based on Electron-Electron Interaction

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，徐涛编译，丁菲菲审核。

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