科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“順磁振子曳引熱電”效應(yīng) 將汽車(chē)尾氣中的熱量轉(zhuǎn)化為電能

（圖源：NCXU官網(wǎng)）

據(jù)外媒報(bào)道，國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，即便是在順磁材料中，固體中的自旋局部熱擾動(dòng)也能實(shí)現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換。以前，人們一直認(rèn)為，在順磁材料中，自旋關(guān)聯(lián)時(shí)間不長(zhǎng)，無(wú)法做到這一點(diǎn)。該效應(yīng)被稱(chēng)為“順磁振子曳引熱電（paramagnon drag thermopower）”，可以將溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋＿@一發(fā)現(xiàn)有助于更有效地收集熱能，例如，將汽車(chē)尾氣中的熱量轉(zhuǎn)化為電能，提高燃料效率，或通過(guò)體熱為智能服裝提供動(dòng)力。

參與此項(xiàng)研究的包括北卡羅萊納州立大學(xué)（NCSU）、美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)（ORNL）、中國(guó)科學(xué)院和俄亥俄州立大學(xué)（Ohio State University）的科學(xué)家。在含有磁性離子的固體中（例如錳），自旋熱擾動(dòng)或彼此對(duì)齊（鐵磁體或反鐵磁體），或不對(duì)齊（順磁體）。然而，順磁材料中的自旋并非完全隨機(jī)。它們會(huì)形成短暫、短程和局部有序結(jié)構(gòu)的順磁振子，這些振子僅能存在很短的時(shí)間，并且只延伸到兩到四個(gè)原子上。研究人員表示，盡管存在這些缺點(diǎn)，順磁振子仍能在溫差中產(chǎn)生移動(dòng)，并推動(dòng)自由電子一起移動(dòng)，從而產(chǎn)生順磁振子曳引熱電。在一項(xiàng)概念性驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生順磁振子曳引現(xiàn)象，所產(chǎn)生的熱電，比僅靠電子電荷產(chǎn)生的能量要高得多。

研究小組對(duì)“順磁振子曳引熱電”概念進(jìn)行測(cè)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（Néel temperature）指的是反鐵磁性材料（或亞鐵磁性材料）由反鐵磁狀態(tài)（或亞鐵磁狀態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艩顟B(tài)的臨界溫度。 卡羅來(lái)納大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程與材料科學(xué)教授Daryoosh Vashaee表示：“人們認(rèn)為，當(dāng)高于奈耳溫度時(shí)，自旋波產(chǎn)生的熱電會(huì)減少。然而，我們沒(méi)有看到預(yù)期中的下降現(xiàn)象，我們想找出原因?！?/p>

在美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研究小組利用散裂中子源的中子頻譜，來(lái)確定物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的變化。材料科學(xué)家Raphael Hermann表示：“我們觀察到，即使沒(méi)有持續(xù)性的自旋波，局部的離子團(tuán)簇也能夠?qū)⑺鼈兊淖孕P(guān)聯(lián)足夠長(zhǎng)時(shí)間，產(chǎn)生可見(jiàn)磁漲落?！毖芯啃〗M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(wàn)億分之一秒。Hermann說(shuō)：“因此，短暫的自旋波可以推動(dòng)電荷，并產(chǎn)生足夠的熱電，阻止發(fā)生預(yù)期中的下降現(xiàn)象?！?/p>

俄亥俄州立大學(xué)機(jī)械與航天工程教授Joseph Heremans表示：“在這項(xiàng)研究之前，人們認(rèn)為，只有在磁性有序材料中，才能產(chǎn)生磁振子曳引，而在順磁性材料中不能產(chǎn)生。因?yàn)樽詈玫臒犭姴牧鲜前雽?dǎo)體，我們知道在室溫或更高溫度下沒(méi)有鐵磁半導(dǎo)體，所以，我們從來(lái)沒(méi)想過(guò)，在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用磁振子曳引來(lái)提高熱電效率。這一新發(fā)現(xiàn)徹底改變了這種認(rèn)識(shí)，現(xiàn)在，我們可以對(duì)順磁性半導(dǎo)體進(jìn)行研究?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院教授Huaizhou Zhao稱(chēng)：“我們觀察到，在低于或接近奈耳溫度時(shí)，塞貝克系數(shù)突然崛起，并且一直持續(xù)至高溫狀態(tài)。我們懷疑，一定發(fā)生了一些與自旋有關(guān)的重要反應(yīng)。所以，我們組成研究團(tuán)隊(duì)，從而為這一發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)?！?/p>

Vashaee表示：“在熱電效應(yīng)中，自旋通過(guò)減輕泡利斥力對(duì)電子的影響，為熱電學(xué)領(lǐng)域提供新范例。通過(guò)自旋塞貝克效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)自旋電子學(xué)新領(lǐng)域。如同在該效應(yīng)中看到的，自旋角動(dòng)量被轉(zhuǎn)移到電子上。自旋波（即磁振子）和順磁狀態(tài)下的局部磁化熱漲落（即順磁性），將它們的線性動(dòng)量傳遞給電子，并產(chǎn)生熱電?！?/p>