Парамагноны и магноны: энергия из тепла

Международная группа ученых выяснила, как улавливать тепло и превращать его в электричество. Открытие поможет создать более эффективную выработку энергии от тепла выхлопных газов автомобилей, межпланетных космических зондов и в промышленных процессах.

Оглянитесь вокруг, что вы видите? Дома, машины, деревья, людей и т.д. Все куда-то бегут, все куда-то спешат. Город, напоминающий муравейник, особенно в час пик, всегда наполнен движением. 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.

Новый способ превратить тепло в энергию

• Теоретическая база
• Результаты исследования
• Эпилог

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. Что такое парамагноны, в чем их уникальная особенность, как ученые реализовали свой необычный «генератор» и насколько он эффективен? Об этом мы узнаем из доклада исследовательской группы. 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).

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

В парамагнетиках спины кажутся хаотичными, в отличие от ферромагнетиков/антиферромагнетиков, однако это не совсем так. 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). С точки зрения распространения, то парамагноны охватывают всего несколько атомов (от 2 до 4).

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. 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*.

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.

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. Ниже температуры Нееля (TN ~ 307 K) теллурид марганца является антиферромагнитным.

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

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

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

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 ~ 1.2 эВ. Концентрация дырок (носитель положительного заряда) настраивается (2.5 х 1019< n < 2 х 1021 cm−3) путем изменения концентрации лития (Li). 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.

Образцы были получены путем измельчения исходных элементов в течение 8 часов в аргоновом сосуде из нержавеющей стали с использованием высокоэнергетического шарового фрезерного станка. 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. Полученные образцы в форме диска имели диаметр 12.7 мм, а их толщина составила ~ 2 мм. Ученые провели измерения удельной тяги и термо-ЭДС на образцах, вырезанных как перпендикулярно, так и параллельно направлению прессования. Этот анализ подтвердил изотропность обоих вариантов образцов (т.е. они одинаковы).

Изображение №1

На графике 1А показана температурная зависимость термо-ЭДС для всех шести образцов. 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.

Графики 1В и 1С показывают данные по удельной тяге и теплопроводности, которые используются для расчета показателя добротности (ZTT), представленного на рисунке 1D. Значение ZTT = 1 достигается при уровне легирования х = 0.03 и температуре Т = 850 К.

Также были проведены измерения рассеяния нейтронов для исследования магнитной структуры образца с x = 0.03 в парамагнитном режиме. Данное исследование играет важную роль, поскольку высокий показатель добротности достигается именно в парамагнитном режиме.

В АФМ фазе при 250 К наблюдается рассеяние магнонов, исходящее из магнитных пиков Брэгга* при 0.92 и 1.95 Å−1. Области магнонов расширяются до максимальной энергии ~ 30 мэВ.
Кривая Брэгга* — график зависимости потери энергии частицы от глубины проникновения в вещество.

Изображение №2

Когда температура достигает показателя выше ~ 350 К, наблюдается явное рассеяние парамагнонов при 0,92 Å−1, и область магнонов при 30 мэВ исчезает. Таким образом, можно сказать, что парамагнонное рассеяние соотносится с температурой по интенсивности и распределению энергии до 450 K (2B-2D). 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

Также было проведено измерение концентрации носителей заряда (n) из измерений эффекта Холла в АФМ (антиферромагнитном) режиме (3А). 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. 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.

Касательно удельной теплоемкости магнона (Cm), то она была определена экспериментально из измерений полной удельной теплоемкости. Удельная теплоемкость © всех шести образцов имеет одинаковую кривую зависимости от температуры и не показывает зависимость от поля вплоть до 7 T. На графике 3В 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 3С 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.

На графиках выше диффузионная термо-ЭДС представлена пунктирной линией при T> TN. Тут видно подтверждение того, что термо-ЭДС увеличивается с ростом температуры в ПМ режиме. При этом экспериментальное значение термо-ЭДС сильно отличается от расчетного.

Эта разница является показателем термо-ЭДС магнонной тяге при TN. Эта область разницы на графике, приписанная к магнонной тяге, в ПМ режиме расширяется, от чего ее теперь можно уверенно отнести к парамагнонной тяге. Наблюдения показывают, что это явление остается независимым от температуры до 800 К, но продолжает существовать вплоть до 900 К.

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.

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

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.

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

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet