顺磁自旋可以吸收电子 通过热量产生电力

一个国际研究小组已经观察到固体中自旋的局部热扰动即使在顺磁性材料中也可以将热量转换为能量 - 在这种情况下,旋转不被认为具有足够长的相关性。这种效应,研究人员称之为“paramagnon drag thermopower”,将温差转换为电压。这一发现可以带来更高效的热能收集 - 例如,将汽车尾气热量转化为电能以提高燃油效率,或通过体热为智能衣物提供动力。

该研究团队包括来自北卡罗来纳州立大学,能源部橡树岭国家实验室(ORNL),中国科学院和俄亥俄州立大学的科学家。

在具有磁性离子(例如锰)的固体中,自旋的热扰动可以彼此对齐(铁磁体或反铁磁体),或者不对齐(顺磁体)。然而,在顺磁体中旋转并不是完全随机的:它们形成短寿命的,短程的,局部有序的结构 - 顺序结构 - 仅存在百万分之一十亿分之一秒并且仅延伸到两到四个原子。在一篇描述这项工作的新论文中,研究人员表明,尽管存在这些缺点,即使是半导体也可以在温度差异中移动并随之推动自由电子,从而形成半导体阻力热电势。

在一个概念验证发现中,该团队观察到碲化锰(MnTe)中的半导体阻力延伸到非常高的温度并产生比单独的电子电荷强得多的热电势。

研究小组通过将掺锂的MnTe加热到高于其Néel温度(34摄氏度)约250摄氏度的温度来测试paramagnon拖动热电源的概念 - 材料中的自旋失去其长程磁性顺序的温度和材料变成顺磁性的。

“在Néel温度之上,可以预期自旋波产生的热电势会下降,”北卡罗来纳州电气和计算机工程和材料科学教授Daryoosh Vashaee说道,该论文的共同作者描述了这项工作。“但是,我们没有看到预期的下降,我们想找出原因。”

在ORNL,该团队在散裂中子源处使用中子能谱来确定材料中发生的情况。“我们观察到,即使没有持续的自旋波,局部的离子簇也会使它们的自旋长度相关,产生可见的磁波动,”ORNL的材料科学家,该论文的共同作者Raphael Hermann说。该团队表明,这些自旋波的寿命 - 大约30飞秒 - 足够长,能够拖动电子电荷,这只需要大约一个飞秒或一千万亿分之一秒。“因此,短暂的自旋波可以推动电荷并产生足够的热电势,以防止预测的下降,”赫尔曼说。

“在这项工作之前,人们认为,磁子阻力只能存在于磁性材料中,而不是存在于顺磁体中,”俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授,该论文的共同作者Joseph Heremans说。“因为最好的热电材料是半导体,并且因为我们知道在室温或更高温度下没有铁磁半导体,所以我们从未想过,在实际应用中,磁控管可以提高热电效率。这一新发现完全改变了;我们现在可以调查顺磁半导体,其中有很多。“

“当我们观察到塞贝克系数突然上升到接近奈尔温度时,并且这个超额值延伸到高温,我们怀疑必须涉及与旋转有根本关系的东西,”中国科学院教授赵怀洲说。在北京和该论文的共同通讯作者。“因此,我们组建了一支具有互补专业知识的研究团队,为这一发现奠定了基础。”

Vashaee说:“通过减少Pauli排斥电子所带来的基本权衡,旋转实现了热电的新范式。”“就像旋转塞贝克效应的发现一样,这导致了旋转角振动的新区域,其中自旋角动量转移到电子,自旋波(即磁子)和磁化的局部热波动顺磁状态(即,顺磁)可以将它们的线性动量转移到电子并产生热能。“

该研究发表在“科学进步”上,得到了美国国家科学基金会,空军科学研究办公室和美国能源部科学,基础能源科学,材料科学和工程部门的支持。俄亥俄州立大学的研究生和共同作者郑元华,中国科学院的田启禄和北卡罗来纳州的Mobarak H. Polash对这项工作做出了同样的贡献。ORNL的Spallation Neutron Source是DOE科学用户设施办公室。

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