Paramagneettiset spinit tuottavat sähköä lämmöstä

Magnonin ja paramagnonin vetovaikutus: Magnonit, yksittäisten atomien spinien (harmaat kartiot) luomat aallot vetävät elektroneja (vihreitä pisteitä) lämpögradienttia pitkin lämpötehon luomiseksi. Paramagneettisessa tilassa paikalliset lämpövaihtelut muodostavat pieniä magnonpaketteja, jotka voivat samalla tavalla vetää elektronia. Klassiset paramagneetit eivät aiheuta vetovaikutusta.

Kansainvälinen tutkijaryhmä on havainnut, että kiinteän aineen spinien paikalliset lämpöhäiriöt voivat muuttaa lämmön energiaksi jopa paramagneettisessa materiaalissa - missä spinen ei ajateltu korreloivan riittävän kauan tehdäkseen niin.

Tämä vaikutus, jota tutkijat kutsuvat "paramagnon drag thermopoweriksi", muuntaa lämpötilaeron sähköjännitteeksi.

Paramagneettinen on magnetismille heikosti altis aine mutta johtaa kuitenkin maneettivuota ilmaa paremmin.

Tämä löytö voisi johtaa tehokkaampaan lämpöenergian keräykseen - esimerkiksi muuttamalla auton pakokaasun lämpöä sähköenergiaksi tai älykkäiden vaatteiden virran tuottamiseksi kehon lämmöllä.

Tutkimusryhmään kuuluu tutkijoita Pohjois-Carolinan osavaltion yliopistosta, Oak Ridge -laboratoriosta (ORNL), Kiinan tiedeakatemiasta ja Ohion osavaltion yliopistosta.

Tutkimuksessaan tekijät osoittavat, että tietyistä puutteista huolimatta jopa paramagnonit voivat liikkua lämpötilaerossa ja kuljettaa vapaita elektroneja mukanaan, luomalla paramagnonisesti vetävää lämpövoimaa.

Tutkimusryhmä havaitsi, että mangaanitelluridin (MnTe) paramagnonin veto ulottuu erittäin korkeisiin lämpötiloihin ja tuottaa lämpövoimaa, joka on paljon vahvempi kuin mitä pelkästään elektronien varaukset voivat tuottaa.

"Ennen tätä työtä uskottiin, että magnonin vetovoima voi olla olemassa vain magneettisesti järjestyneissä materiaaleissa, ei paramagneeteissa", sanoo Joseph Heremans, Ohion osavaltion yliopiston professori.

"Koska parhaat termosähköiset materiaalit ovat puolijohteita, ja koska emme tiedä yhtään huonelämpötilaista ferromagneettisista puolijohdetta, emme koskaan ajatelleet, että magnon vetovaikutus voisi lisätä lämpösähköistä hyötysuhdetta käytännön sovelluksissa.

Tämä uusi havainto muuttaa tämän kokonaan; voimme nyt tutkia paramagneettisia puolijohteita, joita on tarjolla runsaasti."

"Kun havaitsimme Seebeck-kertoimen äkillisen nousun Néel-lämpötilan alapuolella ja lähellä sitä, ja tämä ylimääräinen arvo ulottui korkeisiin lämpötiloihin, epäilimme jotain, joka liittyy perusteellisesti spineihin", kertoo Kiinan tiedeakatemian professori Huaizhou Zhao.

"Aivan kuten spin-Seebeck-ilmiön löytämisessä, joka johti spinkaloritroniikan uusiin alueisiin, joissa spin-kulman momentti siirtyy elektroneille, sekä spinaallot (eli magnonit) että magnetoinnin paikalliset lämpövaihtelut paramagneettisessa tilassa (ts. paramagnonit) voivat siirtää lineaarisen momenttinsa elektronille ja tuottaa lämpövoimaa".

Tutkimustyö on johtanut optimaalisesti seostettuun materiaaliin, jonka lämpöarvo ZT >1 lämpötilassa T > ~ 900 K. Se on ensimmäinen materiaali, jolla on teknologisesti merkityksellinen lämpösähköinen energian muuntamisen hyötysuhde spin-kaloritroniikan vaikutuksesta.

Aiheesta aiemmin:

Spinvirta välittää käyttövoimaa

Lämpösähköä spinien tasolta