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

（圖源：NCXU官網）

蓋世汽車訊 據外媒報導，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。這一發現有助於更有效地收集熱能，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，順磁材料中的自旋並非完全隨機。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，並且只延伸到兩到四個原子上。研究人員表示，儘管存在這些缺點，順磁振子仍能在溫差中產生移動，並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。

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加熱至高於其奈耳溫度（34攝氏度）250攝氏度。奈耳溫度（Néel temperature）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，當高於奈耳溫度時，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，並產生足夠的熱電，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，在低於或接近奈耳溫度時，塞貝克係數突然崛起，並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範例。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，並產生熱電。」