Paramagnetiske spins tager elektroner til en tur, producere elektricitet fra varme

Et internationalt forskerteam har observeret, at lokale termiske forstyrrelser af spins i et fast stof kan omdanne varme til energi selv i et paramagnetisk materiale - hvor spin ikke menes at korrelere længe nok til at gøre det. Denne effekt, som forskerne kalder "paramagnon drag termopower, "konverterer en temperaturforskel til en elektrisk spænding. Denne opdagelse kan føre til mere effektiv høstning af termisk energi - f.eks. konvertering af bilens udstødningsvarme til elektrisk kraft for at øge brændstofeffektiviteten, eller driver smart tøj med kropsvarme.

Forskerteamet omfatter forskere fra North Carolina State University, Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL), det kinesiske videnskabsakademi og Ohio State University.

I faste stoffer med magnetiske ioner (f.eks. mangan), termiske forstyrrelser af spins kan enten flugte med hinanden (ferromagneter eller antiferromagneter), eller ikke justere (paramagneter). Imidlertid, spins er ikke helt tilfældige i paramagneter:de danner kortvarig, Kort rækkevidde, lokalt bestilte strukturer - paramagnoner - som kun eksisterer i en milliontedel af en milliontedel af et sekund og strækker sig over kun to til fire atomer. I et nyt papir, der beskriver arbejdet, forskerne viser, at på trods af disse mangler, selv paramagnoner kan bevæge sig i en temperaturforskel og drive frie elektroner sammen med dem, skaber paramagnon drag termopower.

I en proof-of-concept fund, teamet observerede, at paramagnon -træk i mangantellurid (MnTe) strækker sig til meget høje temperaturer og genererer en termokraft, der er meget stærkere end hvad elektronladninger alene kan lave.

Forskergruppen testede konceptet paramagnon drag termopower ved at opvarme lithium-dopet MnTe til cirka 250 grader Celsius over dens Néeltemperatur (34 grader Celsius)-den temperatur, hvormed spinnene i materialet mister deres langtrækkende magnetiske orden og materialet bliver paramagnetisk.

"Over Néeltemperaturen, man ville forvente, at termokraften, der genereres af spinbølgerne, falder af, "siger Daryoosh Vashaee, professor i elektroteknik og computerteknik og materialevidenskab ved NC State og co-tilsvarende forfatter til papiret, der beskriver arbejdet. "Imidlertid, vi så ikke det forventede fald, og vi ville finde ud af hvorfor. "

På ORNL brugte holdet neutronspektroskopi ved Spallation Neutron Source til at bestemme, hvad der skete i materialet. "Vi observerede, at selvom der ikke var nogen vedvarende spinbølger, lokaliserede klynger af ioner ville korrelere deres spins længe nok til at producere synlige magnetiske udsving, "siger Raphael Hermann, en materialeforsker ved ORNL og medkorresponderende forfatter af papiret. Teamet viste, at levetiden for disse spinbølger - omkring 30 femtosekunder - var lang nok til at muliggøre trækning af elektronladninger, som kun kræver cirka et femtosekund, eller en kvadrilliondel af et sekund. "De kortvarige spin-bølger, derfor, kunne drive afgifterne og skabe nok termokraft til at forhindre det forudsagte fald, "Siger Hermann.

"Inden dette arbejde, man mente, at magnon -træk kun kunne eksistere i magnetisk ordnede materialer, ikke i paramagneter, "siger Joseph Heremans, professor i mekanik og rumfartsteknik ved Ohio State University og medkorresponderende forfatter af papiret. "Fordi de bedste termoelektriske materialer er halvledere, og fordi vi ikke kender nogen ferromagnetisk halvleder ved stuetemperatur eller derover, vi troede aldrig før, at magnon -træk kunne øge den termoelektriske effektivitet i praktiske applikationer. Dette nye fund ændrer det fuldstændigt; vi kan nu undersøge paramagnetiske halvledere, som der er mange af. "

"Da vi observerede den pludselige stigning i Seebeck -koefficienten under og nær Néeltemperaturen, og denne overskydende værdi strakte sig til høje temperaturer, vi havde mistanke om, at noget grundlæggende relateret til spins skal være involveret, "siger Huaizhou Zhao, en professor ved det kinesiske videnskabsakademi i Beijing og medkorresponderende forfatter af papiret. "Så vi dannede et forskerhold med komplementær ekspertise, som lagde grunden til denne opdagelse."

"Spins muliggør et nyt paradigme inden for termoelektricitet ved at lindre de grundlæggende afvejninger, som Pauli ekskluderer på elektroner, "Vashaee siger." Ligesom ved opdagelsen af ​​spin-Seebeck-effekten, hvilket førte til det nye område af spincaloritronics, hvor spin -vinkelmomentet overføres til elektronerne, både spin -bølgerne (dvs. magnoner) og de lokale termiske udsving i magnetisering i den paramagnetiske tilstand (dvs. paramagnoner) kan overføre deres lineære momentum til elektroner og generere termokraft. "

Forskningen vises i Videnskab fremskridt .