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科學家發現“順磁振子曳引熱電”效應 將汽車尾氣中的熱量轉化為電能

據外媒報道,國際研究團隊發現,即便是在順磁材料中,固體中的自旋局部熱擾動也能實現熱能轉換。以前,人們一直認為,在順磁材料中,自旋關聯時間不長,無法做到這一點。該效應被稱為“順磁振子曳引熱電(paramagnon drag thermopower)”,可以將溫差轉變為電能。這一發現有助于更有效地收集熱能,例如,將汽車尾氣中的熱量轉化為電能,提高燃料效率,或通過體熱為智能服裝提供動力。

參與此項研究的包括北卡羅萊納州立大學(NCSU)、美國能源部橡樹嶺國家實驗(ORNL)、中國科學院和俄亥俄州立大學(Ohio State University)的科學家。在含有磁性離子的固體中(例如錳),自旋熱擾動或彼此對齊(鐵磁體或反鐵磁體),或不對齊(順磁體)。然而,順磁材料中的自旋并非完全隨機。它們會形成短暫、短程和局部有序結構的順磁振子,這些振子僅能存在很短的時間,并且只延伸到兩到四個原子上。研究人員表示,盡管存在這些缺點,順磁振子仍能在溫差中產生移動,并推動自由電子一起移動,從而產生順磁振子曳引熱電。在一項概念性驗證發現中,研究小組觀察到,即便在非常高的溫度下,碲化錳(MnTe)中仍能產生順磁振子曳引現象,所產生的熱電,比僅靠電子電荷產生的能量要高得多。

科學家發現“順磁振子曳引熱電”效應 將汽車尾氣中的熱量轉化為電能

研究小組對“順磁振子曳引熱電”概念進行測試。他們將摻鋰MnTe加熱至高于其奈耳溫度(34攝氏度)250攝氏度。奈耳溫度(Néeltemperature)指的是反鐵磁性材料(或亞鐵磁性材料)由反鐵磁狀態(或亞鐵磁狀態)轉變為順磁狀態的臨界溫度。 卡羅來納大學電氣和計算機工程與材料科學教授Daryoosh Vashaee表示:“人們認為,當高于奈耳溫度時,自旋波產生的熱電會減少。然而,我們沒有看到預期中的下降現象,我們想找出原因。”

在美國能源部橡樹嶺國家實驗室,研究小組利用散裂中子源的中子頻譜,來確定物質內部發生的變化。材料科學家Raphael Hermann表示:“我們觀察到,即使沒有持續性的自旋波,局部的離子團簇也能夠將它們的自旋關聯足夠長時間,產生可見磁漲落。”研究小組證明,這些自旋波的壽命大約為30飛秒,足夠曳引電子電荷,這只需要大約1飛秒,或1千萬億分之一秒。Hermann說:“因此,短暫的自旋波可以推動電荷,并產生足夠的熱電,阻止發生預期中的下降現象。”

俄亥俄州立大學機械與航天工程教授Joseph Heremans表示:“在這項研究之前,人們認為,只有在磁性有序材料中,才能產生磁振子曳引,而在順磁性材料中不能產生。因為最好的熱電材料是半導體,我們知道在室溫或更高溫度下沒有鐵磁半導體,所以,我們從來沒想過,在實際應用中,可以利用磁振子曳引來提高熱電效率。這一新發現徹底改變了這種認識,現在,我們可以對順磁性半導體進行研究。”

中國科學院教授Huaizhou Zhao稱:“我們觀察到,在低于或接近奈耳溫度時,塞貝克系數突然崛起,并且一直持續至高溫狀態。我們懷疑,一定發生了一些與自旋有關的重要反應。所以,我們組成研究團隊,從而為這一發現奠定基礎。”

Vashaee表示:“在熱電效應中,自旋通過減輕泡利斥力對電子的影響,為熱電學領域提供新范例。通過自旋塞貝克效應,發現自旋電子學新領域。如同在該效應中看到的,自旋角動量被轉移到電子上。自旋波(即磁振子)和順磁狀態下的局部磁化熱漲落(即順磁性),將它們的線性動量傳遞給電子,并產生熱電。”

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