La traînée magnétique des électrons est un effet d'advection entre les magnons (ondes de précession dans les spins des atomes individuels et représentés par de petits cônes gris) et les électrons (points verts). Le gradient thermique crée un gradient dans les angles des cônes de précession, ce qui conduit à un flux de magnons qui entraîne ensuite des électrons et crée de la thermopuissance. A l'état paramagnétique, les fluctuations thermiques locales de l'aimantation (c'est-à-dire les paramagnons) forment de petits paquets de magnons. Ces paramagnons peuvent transférer la quantité de mouvement qu'ils acquièrent dans le gradient thermique aux électrons et générer de la thermopuissance. En revanche, dans un para-aimant classique, les moments magnétiques sur les atomes individuels sont complètement non corrélés; il n'y a pas de paramagnon ou de paramagnon drag thermopower dans ce cas. Crédit :Renee Ripley, Université d'État de l'Ohio
Une équipe internationale de chercheurs a observé que les perturbations thermiques locales des spins dans un solide peuvent convertir la chaleur en énergie même dans un matériau paramagnétique, où les spins n'étaient pas censés être corrélés assez longtemps pour le faire. Cet effet, que les chercheurs appellent "paramagnon drag thermopower, " convertit une différence de température en une tension électrique. Cette découverte pourrait conduire à une récupération d'énergie thermique plus efficace, par exemple, convertir la chaleur des gaz d'échappement des voitures en énergie électrique pour améliorer l'efficacité énergétique, ou alimenter les vêtements intelligents par la chaleur corporelle.
L'équipe de recherche comprend des scientifiques de la North Carolina State University, le Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie, l'Académie chinoise des sciences et l'Université d'État de l'Ohio.
Dans les solides avec des ions magnétiques (par exemple, manganèse), les perturbations thermiques des spins peuvent s'aligner entre elles (ferromagnétiques ou antiferromagnétiques), ou non aligner (para-aimants). Cependant, les spins ne sont pas entièrement aléatoires dans les para-aimants :ils forment des courte portée, des structures localement ordonnées - les paramagnons - qui n'existent que pour un millionième de millionième de seconde et ne s'étendent que sur deux à quatre atomes. Dans un nouvel article décrivant le travail, les chercheurs montrent que malgré ces lacunes, même les paramagnons peuvent se déplacer dans une différence de température et propulser des électrons libres avec eux, création de paramagnon drag thermopower.
Dans une conclusion de preuve de concept, l'équipe a observé que la traînée de paramagnon dans le tellurure de manganèse (MnTe) s'étend à des températures très élevées et génère une thermopuissance beaucoup plus forte que ce que les charges d'électrons seules peuvent produire.
L'équipe de recherche a testé le concept de résistance thermique du paramagnon en chauffant du MnTe dopé au lithium à environ 250 degrés Celsius au-dessus de sa température de Néel (34 degrés Celsius) - la température à laquelle les spins dans le matériau perdent leur ordre magnétique à longue distance et le matériau devient paramagnétique.
« Au dessus de la température de Néel, on s'attendrait à ce que la thermopuissance générée par les ondes de spin diminue, " dit Daryoosh Vashaee, professeur de génie électrique et informatique et de science des matériaux à NC State et auteur co-correspondant de l'article décrivant le travail. "Toutefois, nous n'avons pas vu la chute attendue, et nous voulions savoir pourquoi.
À l'ORNL, l'équipe a utilisé la spectroscopie neutronique à la source de neutrons de spallation pour déterminer ce qui se passait dans le matériau. "Nous avons observé que même s'il n'y avait pas d'ondes de spin soutenues, des amas localisés d'ions corréleraient leurs spins suffisamment longtemps pour produire des fluctuations magnétiques visibles, " dit Raphaël Hermann, un scientifique des matériaux à l'ORNL et co-auteur de l'article. L'équipe a montré que la durée de vie de ces ondes de spin - environ 30 femtosecondes - était suffisamment longue pour permettre l'entraînement de charges électroniques, qui ne nécessite qu'une femtoseconde environ, ou un quadrillionième de seconde. "Les ondes de spin de courte durée, donc, pourrait propulser les charges et créer suffisamment de puissance thermique pour empêcher la chute prévue, " dit Hermann.
"Avant ce travail, on croyait que la traînée magnon ne pouvait exister que dans des matériaux ordonnés magnétiquement, pas dans les para-aimants, " dit Joseph Heremans, professeur de génie mécanique et aérospatial à l'Ohio State University et co-auteur de l'article. « Parce que les meilleurs matériaux thermoélectriques sont les semi-conducteurs, et parce que nous ne connaissons aucun semi-conducteur ferromagnétique à température ambiante ou supérieure, nous n'avions jamais pensé auparavant que la traînée magnon pouvait augmenter l'efficacité thermoélectrique dans des applications pratiques. Cette nouvelle découverte change complètement cela; nous pouvons maintenant étudier les semi-conducteurs paramagnétiques, dont il y en a beaucoup."
"Lorsque nous avons observé la montée soudaine du coefficient de Seebeck en dessous et près de la température de Néel, et cette survaleur étendue aux températures élevées, nous soupçonnions que quelque chose de fondamentalement lié aux spins devait être impliqué, " dit Huaizhou Zhao, professeur à l'Académie chinoise des sciences de Pékin et co-auteur de l'article. "Nous avons donc formé une équipe de recherche aux expertises complémentaires qui a jeté les bases de cette découverte."
"Les spins permettent un nouveau paradigme en thermoélectricité en atténuant les compromis fondamentaux imposés par l'exclusion de Pauli sur les électrons, " dit Vashaee. " Tout comme dans la découverte de l'effet spin-Seebeck, qui a conduit au nouveau domaine de la spincaloritronique, où le moment angulaire de spin est transféré aux électrons, les deux ondes de spin (c'est-à-dire, magnons) et les fluctuations thermiques locales de l'aimantation à l'état paramagnétique (i.e., paramagnons) peuvent transférer leur quantité de mouvement linéaire aux électrons et générer de la thermopuissance."
La recherche apparaît dans Avancées scientifiques .
