Een internationaal team van onderzoekers heeft waargenomen dat lokale thermische verstoringen van spins in een vaste stof warmte kunnen omzetten in energie, zelfs in een paramagnetisch materiaal - waarvan men dacht dat spins niet lang genoeg correleren om dit te doen. Dit effect, die de onderzoekers "paramagnon drag thermopower noemen, " zet een temperatuurverschil om in een elektrische spanning. Deze ontdekking zou kunnen leiden tot een efficiëntere winning van thermische energie, bijvoorbeeld de uitlaatwarmte van auto's omzetten in elektrische energie om het brandstofverbruik te verbeteren, of het voeden van slimme kleding door lichaamswarmte.

Het onderzoeksteam bestaat uit wetenschappers van de North Carolina State University, het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Department of Energy, de Chinese Academie van Wetenschappen en de Ohio State University.

In vaste stoffen met magnetische ionen (bijv. mangaan), thermische verstoringen van spins kunnen ofwel met elkaar worden uitgelijnd (ferromagneten of antiferromagneten), of niet uitlijnen (paramagneten). Echter, spins zijn niet geheel willekeurig in paramagneten:ze vormen kortstondige, korte afstand, lokaal geordende structuren - paramagnons - die slechts een miljoenste van een miljoenste van een seconde bestaan ​​en zich uitstrekken over slechts twee tot vier atomen. In een nieuw artikel waarin het werk wordt beschreven, laten de onderzoekers zien dat ondanks deze tekortkomingen, zelfs paramagnons kunnen in een temperatuurverschil bewegen en vrije elektronen voortstuwen, het creëren van paramagnon drag thermopower.

In een proof-of-concept-bevinding, het team merkte op dat paramagnon-weerstand in mangaantelluride (MnTe) zich uitstrekt tot zeer hoge temperaturen en een thermokracht genereert die veel sterker is dan wat alleen elektronenladingen kunnen maken.

Het onderzoeksteam testte het concept van paramagnon-sleepthermokracht door met lithium gedoteerd MnTe te verhitten tot ongeveer 250 graden Celsius boven de Néel-temperatuur (34 graden Celsius) - de temperatuur waarbij de spins in het materiaal hun magnetische orde op lange afstand verliezen en het materiaal wordt paramagnetisch.

"Boven de Néel-temperatuur, men zou verwachten dat de door de spingolven opgewekte thermokracht zou afnemen, " zegt Daryoosh Vashaee, hoogleraar elektrische en computertechniek en materiaalkunde bij NC State en co-corresponderende auteur van het artikel waarin het werk wordt beschreven. "Echter, we hebben de verwachte daling niet gezien, en we wilden weten waarom."

Bij ORNL gebruikte het team neutronenspectroscopie bij de Spallation Neutron Source om te bepalen wat er in het materiaal gebeurde. "We zagen dat, hoewel er geen aanhoudende spingolven waren, gelokaliseerde clusters van ionen zouden hun spins lang genoeg correleren om zichtbare magnetische fluctuaties te produceren, " zegt Raphael Hermann, een materiaalwetenschapper bij ORNL en co-corresponderende auteur van het artikel. Het team toonde aan dat de levensduur van deze spingolven - ongeveer 30 femtoseconden - lang genoeg was om het slepen van elektronenladingen mogelijk te maken, waarvoor slechts ongeveer één femtoseconde nodig is, of een quadriljoenste van een seconde. "De kortstondige spingolven, daarom, kan de ladingen voortstuwen en voldoende thermokracht creëren om de voorspelde daling te voorkomen, ' zegt Herman.

"Vóór dit werk, men geloofde dat magnon drag alleen kon bestaan ​​in magnetisch geordende materialen, niet in paramagneten, " zegt Joseph Heremans, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Ohio State University en co-corresponderende auteur van het artikel. "Omdat de beste thermo-elektrische materialen halfgeleiders zijn, en omdat we geen ferromagnetische halfgeleider kennen bij kamertemperatuur of hoger, we hadden nooit gedacht dat magnon-weerstand de thermo-elektrische efficiëntie in praktische toepassingen zou kunnen verhogen. Deze nieuwe bevinding verandert dat volledig; we kunnen nu paramagnetische halfgeleiders onderzoeken, waarvan er veel zijn."

"Toen we de plotselinge stijging van de Seebeck-coëfficiënt onder en nabij de Néel-temperatuur zagen, en deze overwaarde breidde zich uit tot hoge temperaturen, we vermoedden dat er iets fundamenteels met spins te maken had, " zegt Huaizhou Zhao, een professor aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Peking en co-corresponderende auteur van het artikel. "Dus vormden we een onderzoeksteam met complementaire expertise dat de basis legde voor deze ontdekking."

"Spins maken een nieuw paradigma in thermo-elektriciteit mogelijk door de fundamentele afwegingen te verlichten die worden opgelegd door Pauli-uitsluiting aan elektronen, ' zegt Vashaee. 'Net als bij de ontdekking van het spin-Seebeck-effect, wat leidde tot het nieuwe gebied van spincaloritronica, waarbij het spinimpulsmoment wordt overgedragen aan de elektronen, zowel de spingolven (d.w.z. magnonen) en de lokale thermische fluctuaties van magnetisatie in de paramagnetische toestand (d.w.z. paramagnons) kunnen hun lineair momentum overbrengen op elektronen en thermopower genereren."

Het onderzoek verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang .