科学家发现“顺磁振子曳引热电”效应 将汽车尾气中的热量转化为电能-电车资源

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科学家发现“顺磁振子曳引热电”效应 将汽车尾气中的热量转化为电能

  • 2019-10-08 11:22
  • 来源:盖世汽车

摘要:国际研究团队发现,即便是在顺磁材料中,固体中的自旋局部热扰动也能实现热能转换。

【电车资源 行业资讯】江西快3国际研究团队发现,即便是在顺磁材料中,固体中的自旋局部热扰动也能实现热能转换。该效应被称为“顺磁振子曳引热电(paramagnon drag thermopower)”,可以将温差转变为电能。这一发现有助于更有效地收集热能,例如,将汽车尾气中的热量转化为电能,提高燃料效率,或通过体热为智能服装提供动力。

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(图源:NCXU官网) 

 据外媒报道,国际研究团队发现,即便是在顺磁材料中,固体中的自旋局部热扰动也能实现热能转换。以前,人们一直认为,在顺磁材料中,自旋关联时间不长,无法做到这一点。该效应被称为“顺磁振子曳引热电(paramagnon drag thermopower)”,可以将温差转变为电能。这一发现有助于更有效地收集热能,例如,将汽车尾气中的热量转化为电能,提高燃料效率,或通过体热为智能服装提供动力。 

参与此项研究的包括北卡罗莱纳州立大学(NCSU)、美国能源部橡树岭国家实验(ORNL)、中国科学院和俄亥俄州立大学(Ohio State University)的科学家。在含有磁性离子的固体中(例如锰),自旋热扰动或彼此对齐(铁磁体或反铁磁体),或不对齐(顺磁体)。然而,顺磁材料中的自旋并非完全随机。它们会形成短暂、短程和局部有序结构的顺磁振子,这些振子仅能存在很短的时间,并且只延伸到两到四个原子上。研究人员表示,尽管存在这些缺点,顺磁振子仍能在温差中产生移动,并推动自由电子一起移动,从而产生顺磁振子曳引热电。在一项概念性验证发现中,研究小组观察到,即便在非常高的温度下,碲化锰(MnTe)中仍能产生顺磁振子曳引现象,所产生的热电,比仅靠电子电荷产生的能量要高得多。 

研究小组对“顺磁振子曳引热电”概念进行测试。他们将掺锂MnTe加热至高于其奈耳温度(34摄氏度)250摄氏度。奈耳温度(Néel temperature)指的是反铁磁性材料(或亚铁磁性材料)由反铁磁状态(或亚铁磁状态)转变为顺磁状态的临界温度。 卡罗来纳大学电气和计算机工程与材料科学教授Daryoosh Vashaee表示:“人们认为,当高于奈耳温度时,自旋波产生的热电会减少。然而,我们没有看到预期中的下降现象,我们想找出原因。” 

在美国能源部橡树岭国家实验室,研究小组利用散裂中子源的中子频谱,来确定物质内部发生的变化。材料科学家Raphael Hermann表示:“我们观察到,即使没有持续性的自旋波,局部的离子团簇也能够将它们的自旋关联足够长时间,产生可见磁涨落。”研究小组证明,这些自旋波的寿命大约为30飞秒,足够曳引电子电荷,这只需要大约1飞秒,或1千万亿分之一秒。Hermann说:“因此,短暂的自旋波可以推动电荷,并产生足够的热电,阻止发生预期中的下降现象。” 

俄亥俄州立大学机械与航天工程教授Joseph Heremans表示:“在这项研究之前,人们认为,只有在磁性有序材料中,才能产生磁振子曳引,而在顺磁性材料中不能产生。因为最好的热电材料是半导体,我们知道在室温或更高温度下没有铁磁半导体,所以,我们从来没想过,在实际应用中,可以利用磁振子曳引来提高热电效率。这一新发现彻底改变了这种认识,现在,我们可以对顺磁性半导体进行研究。” 

中国科学院教授Huaizhou Zhao称:“我们观察到,在低于或接近奈耳温度时,塞贝克系数突然崛起,并且一直持续至高温状态。我们怀疑,一定发生了一些与自旋有关的重要反应。所以,我们组成研究团队,从而为这一发现奠定基础。” 

Vashaee表示:“在热电效应中,自旋通过减轻泡利斥力对电子的影响,为热电学领域提供新范例。通过自旋塞贝克效应,发现自旋电子学新领域。如同在该效应中看到的,自旋角动量被转移到电子上。自旋波(即磁振子)和顺磁状态下的局部磁化热涨落(即顺磁性),将它们的线性动量传递给电子,并产生热电。”


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