日本科学技术振兴机构基础研究计划中ERATO Saitoh自旋量子整流项目的科学家，阐明了在微米级通道中利用自旋流进行流体动力发电的机理，发现随着流动规模的减小，发电效率大大提高。在微通道中，流动呈现一种称为层流的状态，在这种状态下，微涡状的液体运动广泛而平滑地分布在整个通道中。这产生了更适合小型化的特性，并且提高了发电效率。
Mamoru Matsuo等人在2017年预测了利用自旋流进行流体发电的基本理论，在本研究中，研究人员通过实验演示了层流区的流体发电现象，其研究成果发表在《自然通讯》期刊上。实验结果证实，在层流区，能量转换效率提高了大约10万倍。在本研究中阐明的层流中自旋流体发电现象的特点是：可以获得与流速成正比的电动势，并且转换效率随着流动尺寸的减小而增加。
此外，虽然水力发电（也称为流体发电）和磁流体动力发电需要额外的设备，如涡轮机和线圈，但研究中的现象几乎不需要额外设备，无论是在流道内部还是外部。由于这些特性，有望应用于基于自旋电子学的纳米流体器件，例如快速增殖反应堆或半导体器件中的液态金属流动冷却机制，以及应用于电测量微流量的流量计。流体运动可以通过流体旋转和电子自旋耦合产生电子自旋的角动量通量。
这种流体动力产生，称为自旋流体动力产生(SHDG)，在许多领域引起了人们的关注，特别是在自旋电子学领域。由于自旋扩散的长度尺度，自旋电子学处理的是微米或纳米尺度上发生自旋介导的相互转化。为了完全融入到相互转化中，SHDG物理也应该建立在这样一个微小的尺度上，在这个尺度上，大多数流体都表现为层流流动。研究报告了由于自旋流体动力产生在液态金属汞层流中产生的电压。
实验结果表明，层流自旋流体动力产生具有独特的标度规律。此外，能量转换效率比湍流的能量转换效率高约10^5倍，研究结果表明，层流自旋流体动力产生适合于小型化和扩大流体自旋电子学的覆盖范围。自旋电流是一种自旋角动量流，它实现了各种物理实体之间的相互转换，如电、磁化、热、弹性运动、和液体运动。这种自旋介导的相互转换是在微米或纳米尺度上实现，并在自旋电子学领域得到了广泛的研究。
流体的机械运动也可以作为这个相互转换框架的组成部分：自旋流体动力产生。旋流体动力产生不仅在自旋领域，而且在包括核物理在内的广泛领域。
博科园｜研究/来自：日本科学技术振兴机构
参考期刊《自然通讯》
DOI: 10.1038/s41467-020-16753-0