El arrastre de electrones magnones es un efecto advectivo entre magnones (ondas de precesión en los espines de átomos individuales y representados como pequeños conos grises) y electrones (puntos verdes). El gradiente térmico crea un gradiente en los ángulos de los conos de precesión, lo que conduce a un flujo de magnones que luego arrastra electrones y crea termopotencia. En el estado paramagnético, las fluctuaciones térmicas locales de magnetización (es decir, paramagnones) forman pequeños paquetes de magnones. Estos paramagnones pueden transferir el impulso que adquieren en el gradiente térmico a los electrones y generar energía térmica. A diferencia de, en un paramagnet clásico, los momentos magnéticos de los átomos individuales no están correlacionados en absoluto; no hay termopotencia de arrastre paramagnon o paramagnon en ese caso. Crédito:Renee Ripley, Universidad del Estado de Ohio
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 tuvieran una correlación suficiente para hacerlo. Este efecto, que los investigadores denominan "termopotencia de arrastre de paramagnon, "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 del escape del automóvil en energía eléctrica para mejorar la eficiencia del combustible, o potenciar la ropa inteligente mediante el calor corporal.
El equipo de investigación incluye científicos de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, el Laboratorio Nacional de 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 (ferromagnetos o antiferromagnetos), o no alinear (paramagnetos). Sin embargo, los giros no son del todo aleatorios en los paraimanes:se forman de corta duración, corto alcance, estructuras ordenadas localmente —paramagnones— que existen solo por una millonésima de 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 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 que la 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 de Néel (34 grados Celsius), la temperatura a la que los giros en el material pierden su orden magnético de largo alcance y el material. se vuelve paramagnético.
"Por encima de la temperatura de Néel, uno esperaría que la termopotencia 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 trabajo. "Sin embargo, no vimos la caída esperada, y queríamos averiguar por qué ".
En ORNL, el equipo utilizó espectroscopía de neutrones en la fuente de neutrones de espalación para determinar qué estaba sucediendo dentro del material. "Observamos que, aunque no había ondas de giro sostenidas, grupos de iones localizados correlacionarían sus espines el tiempo suficiente para producir fluctuaciones magnéticas visibles, "dice Raphael Hermann, científico de materiales en ORNL y coautor correspondiente del artículo. El equipo demostró que la vida útil de estas ondas de giro, alrededor de 30 femtosegundos, era lo suficientemente larga como para permitir el arrastre de cargas de electrones. que requiere solo alrededor de un femtosegundo, o una billonésima de segundo. "Las ondas giratorias de corta duración, por lo tanto, podría 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 paramagnetos, "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 la resistencia magnon podría aumentar la eficiencia termoeléctrica en aplicaciones prácticas. Este nuevo hallazgo cambia eso por completo; ahora podemos investigar semiconductores 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 exceso de valor se extendió a las altas temperaturas, sospechamos que algo fundamentalmente relacionado con los giros debe estar involucrado, "dice Huaizhou Zhao, profesor de la Academia China de Ciencias 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 a los electrones, "Dice Vashaee." Al igual que en el descubrimiento del efecto spin-Seebeck, que condujo a la nueva área de la espincaloritrónica, donde el momento angular de espín se transfiere a los electrones, ambas ondas de giro (es decir, magnones) y las fluctuaciones térmicas locales de magnetización en el estado paramagnético (es decir, paramagnons) pueden transferir su momento lineal a los electrones y generar termopotencia ".
La investigación aparece en Avances de la ciencia .
