Хабрахабр

Парамагноны и магноны: энергия из тепла

Дома, машины, деревья, людей и т.д. Оглянитесь вокруг, что вы видите? Город, напоминающий муравейник, особенно в час пик, всегда наполнен движением. Все куда-то бегут, все куда-то спешат. Отбросим в сторону утрирование и поэтичность и поговорим сегодня об исследовании, в котором международная команда ученых из университета штата Северная Каролина, Ок-Риджской национальной лаборатории, университета штата Огайо и Китайской академии наук доказали, что парамагноны могут преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение. И такая же картина наблюдается не только в «большом» мире, но и на атомарном уровне, где неисчислимое множество частиц движутся навстречу друг другу, сталкиваются, отдаляются и вновь находят нового партнера для своего невероятно сложного и порой столь кратковременно танца. Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. Что такое парамагноны, в чем их уникальная особенность, как ученые реализовали свой необычный «генератор» и насколько он эффективен? Поехали.

Теоретическая база

Для начала нам стоит разобраться с этими непонятными парамагнонами, что они такое и с чем их едят. А для этого нужно понять, что из себя представляют их старшие братья — магноны.

Магнон — это квазичастица, которая соответствует элементарному возбуждению в момент взаимодействия спинов (собственный момент импульса элементарных частиц, не связанный с перемещением частицы в пространстве).

упорядочиваться или не упорядочиваться. В твердых телах, обладающими магнитными ионами, термические возмущения спинов могут либо выстраиваться друг с другом (ферромагнетики или антиферромагнетики), либо не выстраиваться (парамагнетики), т.е.

На самом деле они образуют кратковременные, локально упорядоченные структуры ближнего взаимодействия — парамагноны, которые существуют очень и очень недолго (миллиардные доли секунды, а то и меньше). В парамагнетиках спины кажутся хаотичными, в отличие от ферромагнетиков/антиферромагнетиков, однако это не совсем так. С точки зрения распространения, то парамагноны охватывают всего несколько атомов (от 2 до 4).

Но в труде, рассматриваемом нами сегодня, ученые продемонстрировали, что даже парамагноны способны перемещаться при разнице температур и захватывать с собой парочку свободных электронов, генерируя при этом термо-ЭДС*. Проще говоря, активность парамагнонов напоминает физическую реализацию лозунга «life fast, die young» (живи быстро, умри молодым), от чего ранее интерес к ним был не столь велик.

Термоэлектрический эффект* (термо-ЭДС / Эффект Зеебека) — явление возникновения электродвижущей силы на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Это необычное явление было названо «парамагнонная тяга» (paramagnon drag), что отлично описывает способность парамагнонов «тянуть» за собой электроны.

Ученым удалось на практике показать, что парамагнонная тяга в теллуриде марганца (MnTe) распространяется до очень высоких температур и генерирует термо-ЭДС, которое значительно сильнее, чем того могли бы достичь исключительно элементарные электрические заряды.

Ниже температуры Нееля (TN ~ 307 K) теллурид марганца является антиферромагнитным. Если точнее, то ученые установили, что локальные флуктуации теплового намагничивания в легированном литием теллуриде марганца (MnTe) сильно увеличивают его термо-ЭДС при температурах до 900 К.

При достижении точки Нееля антиферромагнетик теряет свои магнитные свойства и превращается в парамагнетик. Температура Нееля* (точка Нееля, TN) — аналог точки Кюри, но для антиферромагнетика.

Магнонная тяга сохраняется в парамагнитном состоянии до > 3 х TN из-за долгоживущих краткосрочных антиферромагнитоподобных флуктуаций (парамагнонов), которые существуют в парамагнитном состоянии, что было подтверждено нейтронной спектроскопией. При этом время жизни парамагнона больше, чем время взаимодействия носителя заряда и магнона, его спин-спиновая пространственная корреляционная длина больше, чем радиус Бора* и длина волны де Бройля* для свободных носителей.

Радиус Бора* — радиус ближайшей к ядру орбиты электрона атома водорода в модели атома, где электроны движутся по круговым орбитам вокруг ядра.

Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу частицы. Длина волны де Бройля* — длина волны, определяющая плотность вероятности обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства.

Следовательно, для движущихся носителей заряда парамагноны выглядят как магноны и дают термо-ЭДС парамагнонной тяги.

2 эВ. В данном труде ученые использовали, как мы уже знаем, легированный литием MnTe, а также антиферромагнитный (АФМ) полупроводник p-типа с температурой упорядочивания TN ~ 307 K, температурой Кюри-Вейсса TC ~ −585K и запрещенной зоной Eg ~ 1. 5 х 1019< n < 2 х 1021 cm−3) путем изменения концентрации лития (Li). Концентрация дырок (носитель положительного заряда) настраивается (2. Определение парамагнонов происходило посредством нейтронной спектроскопии, а время их существования (tL = ~ 3 х 10-14 с) измерялось вплоть до температуры 450 К.

Результаты исследования

Для анализа было подготовлено шесть поликристаллических образцов LixMn1-xTe с уровнем легирования х = 0.003, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 и 0.06. Концентрация дырок для образцов составила 5.5 х 1019, 15 х 1019, 29 х 1019, 45 х 1019, 35 х 1019 и 100 х 1019 см-3 соответственно.

После измельчения полученную массу подвергли горячему прессованию при 1173 К в течение 20 минут путем искрового плазменного спекания под осевым давлением 40 МПа со скоростью нагрева 50 К/мин. Образцы были получены путем измельчения исходных элементов в течение 8 часов в аргоновом сосуде из нержавеющей стали с использованием высокоэнергетического шарового фрезерного станка. 7 мм, а их толщина составила ~ 2 мм. Полученные образцы в форме диска имели диаметр 12. Этот анализ подтвердил изотропность обоих вариантов образцов (т.е. Ученые провели измерения удельной тяги и термо-ЭДС на образцах, вырезанных как перпендикулярно, так и параллельно направлению прессования. они одинаковы).


Изображение №1

У всех кривых на графике имеется общая черта — после пика фононовой тяги в районе 30 К термо-ЭДС медленно увеличивается при T < 150 K, потом следует резкий скачок при 150 K < T ≤ TN, а после этого следует плавное увеличение при 150 K < T < 750 K. На графике показана температурная зависимость термо-ЭДС для всех шести образцов.

Значение ZTT = 1 достигается при уровне легирования х = 0. Графики и показывают данные по удельной тяге и теплопроводности, которые используются для расчета показателя добротности (ZTT), представленного на рисунке 1D. 03 и температуре Т = 850 К.

03 в парамагнитном режиме. Также были проведены измерения рассеяния нейтронов для исследования магнитной структуры образца с x = 0. Данное исследование играет важную роль, поскольку высокий показатель добротности достигается именно в парамагнитном режиме.

92 и 1. В АФМ фазе при 250 К наблюдается рассеяние магнонов, исходящее из магнитных пиков Брэгга* при 0. Области магнонов расширяются до максимальной энергии ~ 30 мэВ. 95 Å−1.

Кривая Брэгга* — график зависимости потери энергии частицы от глубины проникновения в вещество.


Изображение №2

Таким образом, можно сказать, что парамагнонное рассеяние соотносится с температурой по интенсивности и распределению энергии до 450 K (2B-2D). Когда температура достигает показателя выше ~ 350 К, наблюдается явное рассеяние парамагнонов при 0,92 Å−1, и область магнонов при 30 мэВ исчезает. Кроме того, парамагнонное рассеяние не зависит от концентрации Li в исследуемом диапазоне от 0,3 до 5 ат.% (2F и 2G).

Ученые отмечают еще один любопытный факт: данные, измененные за период в 1 минуту (2B) демонстрируют те же особенности, что и данные, измеренные за период в 1 час (2C и 2D).


Изображение №3

Коэффициент Холла показывает аномалию при TN (температура Нееля), а также в разных образцах может демонстрировать значения в ПМ (парамагнитном) режиме отличные от значений в АФМ режиме. Также было проведено измерение концентрации носителей заряда (n) из измерений эффекта Холла в АФМ (антиферромагнитном) режиме (). Поскольку концентрация носителей определяется уровнем легирования Li, который не зависит от температуры, то сама концентрация также не зависит от температуры при n > 6 х 1019 см−3.

Удельная теплоемкость © всех шести образцов имеет одинаковую кривую зависимости от температуры и не показывает зависимость от поля вплоть до 7 T. Касательно удельной теплоемкости магнона (Cm), то она была определена экспериментально из измерений полной удельной теплоемкости. На графике показана удельная теплоемкость образца легированного 6% Li, которая состоит из температуры Дебая*, электронного вклада при T < 6 K и магнитного вклада.

Температура Дебая* — температура, при которой возбуждаются все моды колебаний в твердом теле.

Электронная часть при низкой температуре следует диффузионной термо-ЭДС, фононная часть следует функции Дебая, а магнитная часть следует магнонной тяге. При низкой же температуре удельная теплоемкость как фононов, так и магнонов пропорциональна магнонной тяге, а удельная теплоемкость электронов пропорциональна температуре.

На графике показана холловская подвижность заряда, которая применялась для расчета времени рассеяния электронов (3D).

В АФМ режиме общая термо-ЭДС (a) определяется как сумма магнонной тяги (amd) и диффузионной термо-ЭДС (ad).


Изображение №4

В ПМ режиме данные показывают, что общая термо-ЭДС также имеет две составляющие: диффузионная термо-ЭДС и дополнительная термо-ЭДС, независимая от температуры вплоть до 800 К.

Тут видно подтверждение того, что термо-ЭДС увеличивается с ростом температуры в ПМ режиме. На графиках выше диффузионная термо-ЭДС представлена пунктирной линией при T> TN. Эта разница является показателем термо-ЭДС магнонной тяге при TN. При этом экспериментальное значение термо-ЭДС сильно отличается от расчетного. Наблюдения показывают, что это явление остается независимым от температуры до 800 К, но продолжает существовать вплоть до 900 К. Эта область разницы на графике, приписанная к магнонной тяге, в ПМ режиме расширяется, от чего ее теперь можно уверенно отнести к парамагнонной тяге.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Изучение термоэлектрических свойств легированного литием MnTe показало, что рассчитанное (теоретическое) магнонное термо-ЭДС в магнитоупорядоченном состоянии хорошо согласуется с тем, что было получено на практике. Также ученые подтвердили существование парамагнонов в ПМ режиме MnTe и их значительный вклад в формирование термо-ЭДС.

Это показывает, что парамагноны могут быть новым витком в исследовании высокопроизводительных термоэлектрических материалов. Также был получен коэффициент добротности, равный 1, при 900 К в образце, легированном 3% Li.

Подобные исследования могут сыграть важную роль в совершенствовании технологий сбора тепловой энергии, что можно реализовать в виде преобразования выхлопных газов автомобилей в электроэнергию и даже для носимой электроники, работающей от тепла человеческого тела.

Опять же, это вполне объяснимо той ситуацией, в которой сейчас находится человечество в аспекте ограниченности ресурсов и роста спроса на энергоэффективные технологии. Сейчас просматривается тенденция искать энергию везде, где она может быть. Однако, как говорит старая поговорка — лучше поздно, чем никогда. Сказать, что это плохо, нельзя, но многие с неприкрытым скепсисом относятся к таким инициативам, утверждая, что это либо неэффективно, либо уже слишком поздно.

🙂 Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята!

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2. 2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. Dell R420 — 2x E5-2430 2. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть