科學(xué)家觀察到，即使在順磁材料中，固體中自旋的局部熱擾動(dòng)也可以將熱量轉(zhuǎn)換為能量，在順磁材料中，自旋被認(rèn)為關(guān)聯(lián)的時(shí)間不夠長(zhǎng)。這種效應(yīng)，研究人員稱其為“準(zhǔn)磁懸浮阻力熱電勢(shì)”，將溫差轉(zhuǎn)換為電壓。

這一發(fā)現(xiàn)可能促使更有效的熱能收集，例如將汽車尾氣的熱量轉(zhuǎn)化為電能以提高燃料效率，或通過體熱為智能衣服提供動(dòng)力。該研究團(tuán)隊(duì)包括來自北卡羅來納州立大學(xué)、能源部橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)、中國(guó)科學(xué)院和俄亥俄州立大學(xué)的科學(xué)家。

在含有磁性離子(如錳)的固體中，自旋的熱擾動(dòng)要么可以彼此對(duì)齊(鐵磁或反鐵磁體)，要么不對(duì)齊(順磁體)。然而，自旋在準(zhǔn)磁體中并不是完全隨機(jī)的：它們形成短期、短程、局部有序的結(jié)構(gòu)（準(zhǔn)磁子）這些結(jié)構(gòu)只存在百萬分之一秒，并且只延伸到兩到四個(gè)原子上。其研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上，研究表明，盡管存在這些缺點(diǎn)，但即使是準(zhǔn)粒子也可以在溫差中移動(dòng)，并推動(dòng)自由電子一起，形成準(zhǔn)非拖曳熱電勢(shì)。

在一項(xiàng)概念驗(yàn)證的發(fā)現(xiàn)中，研究小組觀察到碲化錳(MnTe)中的準(zhǔn)磁阻延伸到非常高的溫度，并產(chǎn)生比僅靠電子電荷產(chǎn)生熱電勢(shì)強(qiáng)得多的熱電勢(shì)。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(zhǎng)程磁序和材料成為順磁性的溫度）來測(cè)試順磁阻力熱電勢(shì)的概念。聯(lián)合作者，北卡羅來納州立大學(xué)(NC State)電氣和計(jì)算機(jī)工程及材料科學(xué)教授達(dá)約什·瓦沙伊(Daryoosh Vashaee)說：在內(nèi)爾溫度以上，人們會(huì)認(rèn)為由自旋波產(chǎn)生的熱電勢(shì)會(huì)下降，然而，沒有看到預(yù)期的下降，所以想找出原因。

在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，研究小組使用散裂中子源的中子光譜學(xué)來確定材料內(nèi)部發(fā)生了什么。ORNL的材料科學(xué)家、該論文的聯(lián)合作者Raphael Hermann說：觀察到，即使沒有持續(xù)的自旋波，局域離子簇也會(huì)將自旋關(guān)聯(lián)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，從而產(chǎn)生可見的磁場(chǎng)波動(dòng)。研究表明，這些自旋波的壽命（大約30飛秒）足夠長(zhǎng)，可以拖動(dòng)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(dòng)電荷并產(chǎn)生足夠的熱電勢(shì)，以防止預(yù)期的下降。

俄亥俄州立大學(xué)(Ohio State University)機(jī)械和航空航天工程教授、這篇論文的聯(lián)合作者約瑟夫·赫曼斯(Joseph Heremans)說：在這項(xiàng)研究之前，人們認(rèn)為磁振子阻力只能存在于磁性有序材料中，而不是準(zhǔn)磁體中。因?yàn)樽詈玫臒犭姴牧鲜前雽?dǎo)體，而且我們知道在室溫或更高溫度下沒有鐵磁半導(dǎo)體，以前從未想過磁振子阻力可以在實(shí)際應(yīng)用中提高熱電效率，這一新發(fā)現(xiàn)徹底改變了這一點(diǎn)；現(xiàn)在可以研究順磁半導(dǎo)體，其中有很多這樣的半導(dǎo)體。

北京中國(guó)科學(xué)院教授、該論文的聯(lián)合作者趙懷洲表示：當(dāng)觀察到塞貝克系數(shù)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(shí)，我們懷疑一定涉及到與自旋有關(guān)的根本問題，因此組建了一個(gè)具有互補(bǔ)專業(yè)知識(shí)的研究團(tuán)隊(duì)，為這一發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。自旋通過減輕泡利排斥對(duì)電子施加的基本平衡，在熱電方面實(shí)現(xiàn)了一種新范式。正如自旋塞貝克效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)一樣，自旋-塞貝克效應(yīng)促使誕生了自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到電子的新領(lǐng)域，自旋波(即磁子)和順磁狀態(tài)下磁化的局部熱漲落(即順磁子)都可以將其線性動(dòng)量轉(zhuǎn)移到電子并產(chǎn)生熱電勢(shì)。

博科園｜研究/來自：北卡羅來納州立大學(xué)

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aat9461

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