Opladers voor mobiele telefoons en andere apparaten kunnen veel kleiner worden nadat een volledig RIKEN-team van natuurkundigen met succes een elektrische component, bekend als een inductor, heeft gekrompen tot microschaaldimensies met behulp van een kwantumeffect.

Inductoren zijn een basiscomponent van moderne elektrische circuits, en ze worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, waaronder informatieverwerking, draadloze circuits en opladers voor mobiele apparaten. Ze zijn gebaseerd op de inductiewet die de Engelse natuurkundige Michael Faraday in 1831 ontdekte. Maar hoewel de natuurkunde sindsdien grote sprongen heeft gemaakt, de fundamentele principes van inductoren blijven in wezen hetzelfde - het zijn in feite draadspoelen.

In tegenstelling tot andere elektrische circuitcomponenten, inductoren zijn moeilijk te miniaturiseren omdat de grootte van hun inductantie afneemt met hun volume, zodat als je hun volume halveert, de inductie daalt ook met de helft.

Nutsvoorzieningen, Yoshinori Tokura, Tomoyuki Yokouchi en hun medewerkers, allemaal in het RIKEN Center for Emergent Matter Science, hebben een inductantie gegenereerd die gelijk is aan die van commerciële inductoren, maar in een component waarvan het volume ongeveer een miljoen keer kleiner is.

Ze bereikten dit door een nieuw mechanisme te gebruiken voor het genereren van inductantie dat afhankelijk is van kwantumeffecten. Inductoren die op dit mechanisme zijn gebaseerd, zijn gemakkelijk te verkleinen, omdat hun inductantie in feite toeneemt met een kleiner dwarsdoorsnede-oppervlak.

"We ontdekten een elektromagnetische inductantie van kwantummechanische oorsprong, ", zegt Yokouchi. "Dit heeft een groot potentieel voor de miniaturisatie van inductoren, een van de meest fundamentele onderdelen in de hedendaagse elektrische circuits."

Een van de auteurs, Naoto Nagaosa, eerder theoretisch een totaal nieuw mechanisme voor elektromagnetische inductie had voorgesteld op basis van opkomend elektromagnetisme, een nieuwe vorm van elektromagnetisme die voortkomt uit de kwantummechanische eigenschappen van geleidingselektronen in speciaal ontworpen systemen. In de huidige studie, het team realiseerde dit effect door een magneet op micrometerschaal te gebruiken. De elektronenspins die aanleiding geven tot het magnetisme zijn gerangschikt in spiraalvormige opstelling, het nabootsen van de spoelen van een conventionele inductor.

Yokouchi merkt op dat het succes van de studie afhing van de samenwerkingsomgeving bij RIKEN. "Sterke samenwerking tussen theoretici en experimentatoren was essentieel voor dit project, "zegt hij. In het bijzonder, de experimentatoren hebben veel expertise in het fabriceren van geavanceerde kwantummaterialen.

De inductor op nanoschaal van het team werkt alleen bij zeer lage temperaturen, daarom zijn ze nu op zoek naar materialen die zich op dezelfde manier gedragen bij hoge temperaturen. "Voor echte toepassingen, we moeten een materiaal vinden dat opkomende inductantie genereert bij en boven kamertemperatuur, " zegt Yokouchi. "We zijn al begonnen met het zoeken naar de potentiële materialen."