Un equipo internacional de investigadores ha observado que las perturbaciones térmicas locales de los espines en un sólido pueden convertir el calor en energía incluso en un material paramagnético, donde no se pensaba que los espines se correlacionaran el tiempo suficiente para hacerlo. Este efecto, que los investigadores"Paramagnon drag thermopower", convierte una diferencia de temperatura en un voltaje eléctrico. Este descubrimiento podría conducir a una recolección de energía térmica más eficiente, por ejemplo, convertir el calor de los gases de escape de los automóviles en energía eléctrica para mejorar la eficiencia del combustible, o impulsar la ropa inteligente por el cuerpocalor.
El equipo de investigación incluye científicos de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ORNL, la Academia China de Ciencias y la Universidad Estatal de Ohio.
En sólidos con iones magnéticos p. Ej., Manganeso, las perturbaciones térmicas de los espines pueden alinearse entre sí ferroimanes o antiferromagnetos o no alinearse paraimanes. Sin embargo, los espines no son completamente aleatorios en los paraimanes: forman cortosestructuras vividas, de corto alcance y ordenadas localmente paramagnones que existen solo por una millonésima de mil millonésima de segundo y se extienden solo sobre dos o cuatro átomos. En un nuevo artículo que describe el trabajo, los investigadores muestran que a pesar de estas deficiencias, incluso los paramagnones pueden moverse en una diferencia de temperatura y propulsar electrones libres junto con ellos, creando termopotencia de arrastre de paramagnon.
En un hallazgo de prueba de concepto, el equipo observó que el arrastre de paramagnon en el telururo de manganeso MnTe se extiende a temperaturas muy altas y genera una termopotencia que es mucho más fuerte de lo que pueden producir las cargas de electrones por sí solas.
El equipo de investigación probó el concepto de termopotencia de arrastre de paramagnon calentando MnTe dopado con litio a aproximadamente 250 grados Celsius por encima de su temperatura Néel 34 grados Celsius, la temperatura a la que los giros en el material pierden su orden magnético de largo alcancey el material se vuelve paramagnético.
"Por encima de la temperatura de Néel, uno esperaría que la energía térmica generada por las ondas de giro disminuya", dice Daryoosh Vashaee, profesor de ingeniería eléctrica e informática y ciencia de los materiales en NC State y coautor correspondiente del artículo que describe el"Sin embargo, no vimos la disminución esperada y queríamos averiguar por qué".
En ORNL, el equipo utilizó espectroscopía de neutrones en la fuente de neutrones de espalación para determinar lo que estaba sucediendo dentro del material ". Observamos que, aunque no había ondas de espín sostenidas, los grupos de iones localizados correlacionarían sus espines lo suficiente como para producirfluctuaciones ", dice Raphael Hermann, científico de materiales de ORNL y coautor correspondiente del artículo. El equipo demostró que la vida útil de estas ondas de espín, alrededor de 30 femtosegundos, era lo suficientemente larga como para permitir el arrastre de cargas de electrones, querequiere sólo alrededor de un femtosegundo, o una cuadrillonésima parte de un segundo. "Las ondas de espín de corta duración, por lo tanto, podrían impulsar las cargas y crear suficiente energía térmica para evitar la caída prevista", dice Hermann.
"Antes de este trabajo, se creía que el arrastre magnón solo podía existir en materiales ordenados magnéticamente, no en paraimanes", dice Joseph Heremans, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Ohio y coautor correspondiente del artículo."Debido a que los mejores materiales termoeléctricos son los semiconductores, y debido a que no conocemos ningún semiconductor ferromagnético a temperatura ambiente o superior, nunca antes habíamos pensado que el arrastre de magnón podría aumentar la eficiencia termoeléctrica en aplicaciones prácticas. Este nuevo hallazgo cambia completamente; ahora podemos investigarsemiconductores paramagnéticos, de los cuales hay muchos ".
"Cuando observamos el aumento repentino del coeficiente de Seebeck por debajo y cerca de la temperatura de Néel, y este valor en exceso se extendió a altas temperaturas, sospechamos que algo fundamentalmente relacionado con los giros debe estar involucrado", dice Huaizhou Zhao, profesor de la Academia Chinaof Science en Beijing y coautor correspondiente del artículo. "Así que formamos un equipo de investigación con experiencia complementaria que sentó las bases para este descubrimiento".
"Los espines permiten un nuevo paradigma en termoelectricidad al aliviar las compensaciones fundamentales impuestas por la exclusión de Pauli en los electrones", dice Vashaee. "Al igual que en el descubrimiento del efecto espín-Seebeck, que condujo a la nueva área de espincaloritrónica, donde laEl momento angular de giro se transfiere a los electrones, tanto las ondas de giro es decir, magnones como las fluctuaciones térmicas locales de magnetización en el estado paramagnético es decir, paramagnones pueden transferir su momento lineal a electrones y generar termopotencia ".
La investigación aparece en avances científicos y cuenta con el apoyo de la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Ciencia, Ciencias Básicas de Energía, Ciencias de Materiales e Ingeniería del Departamento de Energía de EE. UU.. Estudiantes graduados y co-primeros autores Yuanhua Zheng delLa Universidad Estatal de Ohio, Tianqi Lu de la Academia China de Ciencias y Mobarak H. Polash del Estado de Carolina del Norte contribuyeron igualmente al trabajo. La fuente de neutrones de espalación en ORNL es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Carolina del Norte . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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