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

（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。”