Het National Institute for Materials Science (NIMS) is erin geslaagd het ‘anisotrope magneto-Thomson-effect’ rechtstreeks waar te nemen, een fenomeen waarbij de warmteabsorptie/-afgifte evenredig aan een toegepast temperatuurverschil en laadstroom (dat wil zeggen het Thomson-effect) anisotroop verandert afhankelijk van over de magnetisatierichting in magnetische materialen.

Dit onderzoek zal naar verwachting leiden tot de verdere ontwikkeling van de fundamentele natuurkunde en materiaalkunde met betrekking tot het fusiegebied van thermo-elektrische energie en spintronica, evenals tot de ontwikkeling van nieuwe functionaliteiten om thermische energie met magnetisme te beheersen. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Het Thomson-effect staat al lang bekend als een van de fundamentele thermo-elektrische effecten in metalen en halfgeleiders, samen met de Seebeck- en Peltier-effecten, die de drijvende krachten zijn achter thermo-elektrische conversietechnologieën.

Hoewel de invloed van magnetisme op de Seebeck- en Peltier-effecten al vele jaren wordt bestudeerd, is het niet opgehelderd hoe het Thomson-effect wordt beïnvloed door magnetische velden en magnetisme, omdat de thermo-elektrische conversie van het Thomson-effect over het algemeen klein is en de metingen en kwantitatieve aspecten ervan schattingsmethoden zijn nog niet volledig vastgesteld.

Onder dergelijke omstandigheden rapporteerde NIMS in 2020 een experimenteel resultaat waarin werd waargenomen dat het Thomson-effect in niet-magnetische geleiders veranderde met een magnetisch veld (dat wil zeggen het magneto-Thomson-effect).

Deze keer slaagden de onderzoekers erin het anisotrope magneto-Thomson-effect in magnetische materialen waar te nemen door middel van nauwkeurigere thermische metingen. Het anisotrope magneto-Thomson-effect in magnetische materialen verschilt van het conventionele magneto-Thomson-effect in niet-magnetische materialen, en dit is de eerste directe waarneming van dit onontgonnen fenomeen.

Het NIMS-onderzoeksteam gebruikte een thermische meettechniek genaamd lock-in thermografie om nauwkeurig de temperatuurverdeling te meten die ontstaat wanneer een laadstroom wordt toegepast op een ferromagnetische legering Ni₉₅ Pt₅ terwijl een temperatuurverschil werd toegepast, en geverifieerd hoe het Thomson-effect verandert afhankelijk van de magnetisatierichting.

Als gevolg hiervan werd vastgesteld dat de hoeveelheid warmteabsorptie (of warmteafgifte) die in de Ni₉₅ werd gegenereerd Pt₅ legering is groter wanneer de temperatuurgradiënt en de laadstroom evenwijdig zijn aan de magnetisatie dan wanneer ze loodrecht op de magnetisatie staan. Dit resultaat komt overeen met het verwachte gedrag van metingen van de Seebeck- en Peltier-effecten in magnetische materialen.

Dit onderzoek heeft de fundamentele eigenschappen van het anisotrope magneto-Thomson-effect verduidelijkt en technieken ontwikkeld voor de kwantitatieve meting ervan. In de toekomst zullen de onderzoekers de fysica, materialen en functionaliteiten van het anisotrope magneto-Thomson-effect blijven onderzoeken om nieuwe fysica te onderzoeken die wordt veroorzaakt door de interactie van warmte, elektriciteit en magnetisme, en om toepassingen te ontwikkelen voor thermische managementtechnologieën die dat zullen doen. bijdragen aan verbeterde efficiëntie en energiebesparing in elektronische apparaten.

Dit project werd uitgevoerd door Rajkumar Modak (speciaal onderzoeker, onderzoekscentrum voor magnetische en spintronische materialen CMSM), NIMS), Takamasa Hirai (onderzoeker, CMSM, NIMS), Seiji Mitani (directeur, CMSM, NIMS) en Ken-ichi Uchida (Distinguished Group Leader, CMSM, NIMS).

Meer informatie: Rajkumar Modak et al, Observatie van het anisotrope Magneto-Thomson-effect, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.206701

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen