Il trascinamento elettrone-magnon è un effetto avvettivo tra magnoni (onde di precessione negli spin dei singoli atomi e rappresentati come piccoli coni grigi) ed elettroni (punti verdi). Il gradiente termico crea un gradiente negli angoli dei coni di precessione, che porta a un flusso di magnoni che trascina gli elettroni e crea energia termica. Nello stato paramagnetico, le fluttuazioni termiche locali di magnetizzazione (cioè i paramagnoni) formano piccoli pacchetti di magnoni. Questi paramagnoni possono trasferire agli elettroni la quantità di moto che acquisiscono nel gradiente termico e generare energia termica. In contrasto, in un classico paramagnete, i momenti magnetici sui singoli atomi sono completamente non correlati; non c'è paramagnon o paramagnon drag thermopower in quel caso. Credito:Renee Ripley, Università statale dell'Ohio
Un team internazionale di ricercatori ha osservato che le perturbazioni termiche locali degli spin in un solido possono convertire il calore in energia anche in un materiale paramagnetico, dove non si pensava che gli spin fossero correlati abbastanza a lungo per farlo. Questo effetto, che i ricercatori chiamano "paramagnon drag thermopower, " converte una differenza di temperatura in una tensione elettrica. Questa scoperta potrebbe portare a una raccolta di energia termica più efficiente, ad esempio, convertire il calore di scarico dell'auto in energia elettrica per migliorare l'efficienza del carburante, o alimentando indumenti intelligenti con il calore corporeo.
Il team di ricerca comprende scienziati della North Carolina State University, l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia (ORNL), l'Accademia cinese delle scienze e la Ohio State University.
In solidi con ioni magnetici (ad es. manganese), le perturbazioni termiche degli spin possono allinearsi tra loro (ferromagneti o antiferromagneti), o non allineare (paramagneti). Però, gli spin non sono del tutto casuali nei paramagneti:formano di breve durata, a corto raggio, strutture ordinate localmente, i paramagnoni, che esistono solo per un milionesimo di milionesimo di secondo e si estendono su solo da due a quattro atomi. In un nuovo documento che descrive il lavoro, i ricercatori mostrano che nonostante queste carenze, anche i paramagnoni possono muoversi in una differenza di temperatura e spingere gli elettroni liberi insieme a loro, creando paramagnon drag thermopower.
In una prova di concetto, il team ha osservato che la resistenza del paramagnon nel tellururo di manganese (MnTe) si estende a temperature molto elevate e genera una potenza termica molto più forte di quella che le sole cariche di elettroni possono produrre.
Il team di ricerca ha testato il concetto di paramagnon drag thermopower riscaldando MnTe drogato con litio a circa 250 gradi Celsius sopra la sua temperatura di Néel (34 gradi Celsius), la temperatura alla quale gli spin nel materiale perdono il loro ordine magnetico a lungo raggio e il materiale diventa paramagnetico.
"Al di sopra della temperatura di Néel, ci si aspetterebbe che la potenza termica generata dalle onde di spin diminuisca, "dice Daryoosh Vashaee, professore di ingegneria elettrica e informatica e scienza dei materiali presso la NC State e co-autore corrispondente dell'articolo che descrive il lavoro. "Però, non abbiamo visto il calo previsto, e volevamo scoprire perché".
All'ORNL il team ha utilizzato la spettroscopia di neutroni presso la Spallation Neutron Source per determinare cosa stava accadendo all'interno del materiale. "Abbiamo osservato che anche se non c'erano onde di spin sostenute, cluster localizzati di ioni correlerebbero i loro spin abbastanza a lungo da produrre fluttuazioni magnetiche visibili, "dice Raphael Hermann, uno scienziato dei materiali presso l'ORNL e co-autore corrispondente dell'articolo. Il team ha dimostrato che la durata di queste onde di spin, circa 30 femtosecondi, era abbastanza lunga da consentire il trascinamento di cariche di elettroni, che richiede solo circa un femtosecondo, o un quadrilionesimo di secondo. "Le onde di spin di breve durata, perciò, potrebbe spingere le cariche e creare abbastanza energia termica per prevenire il previsto calo, " dice Hermann.
"Prima di questo lavoro, si credeva che la resistenza magnon potesse esistere solo in materiali ordinati magneticamente, non in paramagneti, "dice Joseph Heremans, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Ohio State University e co-autore del documento. "Poiché i migliori materiali termoelettrici sono i semiconduttori, e poiché non conosciamo alcun semiconduttore ferromagnetico a temperatura ambiente o superiore, non abbiamo mai pensato prima che la resistenza del magnon potesse aumentare l'efficienza termoelettrica nelle applicazioni pratiche. Questa nuova scoperta cambia completamente; ora possiamo studiare i semiconduttori paramagnetici, di cui ce ne sono molti".
"Quando abbiamo osservato l'improvviso aumento del coefficiente di Seebeck al di sotto e vicino alla temperatura di Néel, e questo valore in eccesso si estendeva alle alte temperature, sospettavamo che fosse coinvolto qualcosa di fondamentalmente correlato agli spin, "dice Huaizhou Zhao, professore all'Accademia cinese delle scienze di Pechino e co-autore del documento. "Così abbiamo formato un team di ricerca con competenze complementari che ha gettato le basi per questa scoperta".
"Gli spin consentono un nuovo paradigma nella termoelettricità alleviando i compromessi fondamentali imposti dall'esclusione di Pauli sugli elettroni, " Dice Vashaee. "Proprio come nella scoperta dell'effetto spin-Seebeck, che ha portato alla nuova area della spincaloritronica, dove il momento angolare di spin viene trasferito agli elettroni, entrambe le onde di spin (cioè, magnon) e le fluttuazioni termiche locali di magnetizzazione nello stato paramagnetico (cioè, paramagnoni) possono trasferire il loro momento lineare agli elettroni e generare energia termica."
La ricerca appare in Progressi scientifici .
