將汽車尾氣的熱量轉化為電能?順磁材料可將熱量轉換為能量!

2020-11-24 手機鳳凰網

科學家觀察到，即使在順磁材料中，固體中自旋的局部熱擾動也可以將熱量轉換為能量，在順磁材料中，自旋被認為關聯的時間不夠長。這種效應，研究人員稱其為「準磁懸浮阻力熱電勢」，將溫差轉換為電壓。這一發現可能促使更有效的熱能收集，例如將汽車尾氣的熱量轉化為電能以提高燃料效率，或通過體熱為智能衣服提供動力。該研究團隊包括來自北卡羅來納州立大學、能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)、中國科學院和俄亥俄州立大學的科學家。

在含有磁性離子(如錳)的固體中，自旋的熱擾動要麼可以彼此對齊(鐵磁或反鐵磁體)，要麼不對齊(順磁體)。然而，自旋在準磁體中並不是完全隨機的：它們形成短期、短程、局部有序的結構（準磁子）這些結構只存在百萬分之一秒，並且只延伸到兩到四個原子上。其研究發表在《科學進展》期刊上，研究表明，儘管存在這些缺點，但即使是準粒子也可以在溫差中移動，並推動自由電子一起，形成準非拖曳熱電勢。

在一項概念驗證的發現中，研究小組觀察到碲化錳(MnTe)中的準磁阻延伸到非常高的溫度，並產生比僅靠電子電荷產生熱電勢強得多的熱電勢。研究小組通過將摻鋰的MnTe加熱到比其Néel溫度(34攝氏度)高出約250攝氏度（材料中的自旋失去長程磁序和材料成為順磁性的溫度）來測試順磁阻力熱電勢的概念。聯合作者，北卡羅來納州立大學(NC State)電氣和計算機工程及材料科學教授達約什·瓦沙伊(Daryoosh Vashaee)說：在內爾溫度以上，人們會認為由自旋波產生的熱電勢會下降，然而，沒有看到預期的下降，所以想找出原因。

在橡樹嶺國家實驗室，研究小組使用散裂中子源的中子光譜學來確定材料內部發生了什麼。ORNL的材料科學家、該論文的聯合作者Raphael Hermann說：觀察到，即使沒有持續的自旋波，局域離子簇也會將自旋關聯足夠長的時間，從而產生可見的磁場波動。研究表明，這些自旋波的壽命（大約30飛秒）足夠長，可以拖動電子電荷，而這只需要大約一飛秒，或一萬億分之一秒就可以了。因此，短暫的自旋波可以推動電荷並產生足夠的熱電勢，以防止預期的下降。

俄亥俄州立大學(Ohio State University)機械和航空航天工程教授、這篇論文的聯合作者約瑟夫·赫曼斯(Joseph Heremans)說：在這項研究之前，人們認為磁振子阻力只能存在於磁性有序材料中，而不是準磁體中。因為最好的熱電材料是半導體，而且我們知道在室溫或更高溫度下沒有鐵磁半導體，以前從未想過磁振子阻力可以在實際應用中提高熱電效率，這一新發現徹底改變了這一點；現在可以研究順磁半導體，其中有很多這樣的半導體。

北京中國科學院教授、該論文的聯合作者趙懷洲表示：當觀察到塞貝克係數在奈爾溫度以下和附近突然上升，這一超額值延伸到高溫時，我們懷疑一定涉及到與自旋有關的根本問題，因此組建了一個具有互補專業知識的研究團隊，為這一發現奠定了基礎。自旋通過減輕泡利排斥對電子施加的基本平衡，在熱電方面實現了一種新範式。正如自旋塞貝克效應的發現一樣，自旋-塞貝克效應促使誕生了自旋角動量轉移到電子的新領域，自旋波(即磁子)和順磁狀態下磁化的局部熱漲落(即順磁子)都可以將其線性動量轉移到電子並產生熱電勢。

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