O arrasto magnon-elétron é um efeito advectivo entre magnons (ondas de precessão nos spins de átomos individuais e representados como pequenos cones cinza) e elétrons (pontos verdes). O gradiente térmico cria um gradiente nos ângulos dos cones de precessão, o que leva a um fluxo de magnons que arrasta elétrons e cria energia termelétrica. No estado paramagnético, as flutuações térmicas locais de magnetização (ou seja, paramagnons) formam pequenos pacotes de magnons. Esses paramagnons podem transferir o momento que adquirem no gradiente térmico para elétrons e gerar energia termelétrica. Em contraste, em um paramagneto clássico, os momentos magnéticos nos átomos individuais são completamente não correlacionados; não há paramagnon ou paramagnon drag thermopower nesse caso. Crédito:Renee Ripley, Universidade Estadual de Ohio
Uma equipe internacional de pesquisadores observou que as perturbações térmicas locais de spins em um sólido podem converter calor em energia mesmo em um material paramagnético - onde os spins não se correlacionavam por tempo suficiente para isso. Este efeito, que os pesquisadores chamam de "termelétrica de arrasto de paramagnon, "converte uma diferença de temperatura em uma voltagem elétrica. Essa descoberta pode levar a uma coleta de energia térmica mais eficiente, por exemplo, converter o calor do escapamento do carro em energia elétrica para aumentar a eficiência do combustível, ou energizando roupas inteligentes pelo calor do corpo.
A equipe de pesquisa inclui cientistas da Universidade Estadual da Carolina do Norte, o Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia (ORNL), a Academia Chinesa de Ciências e a Universidade Estadual de Ohio.
Em sólidos com íons magnéticos (por exemplo, manganês), perturbações térmicas de spins podem se alinhar entre si (ferromagnetos ou antiferromagnetos), ou não alinhar (paramagnetos). Contudo, os spins não são inteiramente aleatórios nos paramagnetos:eles têm vida curta, curto alcance, estruturas ordenadas localmente - paramagnons - que existem por apenas um milionésimo de milionésimo de segundo e se estendem por apenas dois a quatro átomos. Em um novo artigo que descreve o trabalho, os pesquisadores mostram que, apesar dessas deficiências, até mesmo paramagnons podem se mover em uma diferença de temperatura e impulsionar elétrons livres junto com eles, criando energia térmica de arrasto de paramagnon.
Em uma descoberta de prova de conceito, a equipe observou que o arrasto de paramagnon no telureto de manganês (MnTe) se estende a temperaturas muito altas e gera uma energia termelétrica que é muito mais forte do que as cargas de elétrons sozinhas podem produzir.
A equipe de pesquisa testou o conceito de termelétrica de arrasto de paramagnon aquecendo MnTe dopado com lítio a aproximadamente 250 graus Celsius acima de sua temperatura Néel (34 graus Celsius) - a temperatura na qual os giros no material perdem sua ordem magnética de longo alcance e o material torna-se paramagnético.
"Acima da temperatura Néel, seria de se esperar que a energia termelétrica sendo gerada pelas ondas de spin diminuísse, "diz Daryoosh Vashaee, professor de engenharia elétrica e da computação e ciência dos materiais na NC State e co-autor do artigo que descreve o trabalho. "Contudo, não vimos a queda esperada, e queríamos descobrir por quê. "
No ORNL, a equipe usou espectroscopia de nêutrons na Fonte de Nêutrons de Espalação para determinar o que estava acontecendo dentro do material. "Observamos que, embora não houvesse ondas de rotação sustentadas, aglomerados localizados de íons correlacionariam seus spins por tempo suficiente para produzir flutuações magnéticas visíveis, "diz Raphael Hermann, cientista de materiais da ORNL e co-autor do artigo. A equipe mostrou que a vida útil dessas ondas de spin - cerca de 30 femtossegundos - era longa o suficiente para permitir o arrasto de cargas de elétrons, que requer apenas cerca de um femtossegundo, ou um quatrilionésimo de segundo. "As ondas de spin de curta duração, Portanto, poderia impulsionar as cargas e criar energia termelétrica suficiente para evitar a queda prevista, "Hermann diz.
“Antes deste trabalho, acreditava-se que o arrasto magnético só poderia existir em materiais magneticamente ordenados, não em paramagnetos, "diz Joseph Heremans, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Ohio State University e co-autor do artigo. "Porque os melhores materiais termoelétricos são semicondutores, e porque não conhecemos nenhum semicondutor ferromagnético à temperatura ambiente ou acima, nunca pensamos antes que o arrasto do magnon poderia aumentar a eficiência termoelétrica em aplicações práticas. Essa nova descoberta muda isso completamente; podemos agora investigar semicondutores paramagnéticos, dos quais existem muitos. "
"Quando observamos o aumento repentino do coeficiente de Seebeck abaixo e perto da temperatura de Néel, e este valor excedente estendido a altas temperaturas, suspeitamos que algo fundamentalmente relacionado aos giros deve estar envolvido, "diz Huaizhou Zhao, professor da Academia Chinesa de Ciências em Pequim e co-autor do artigo. "Então, formamos uma equipe de pesquisa com experiência complementar que lançou as bases para essa descoberta."
"Os spins possibilitam um novo paradigma em termoeletricidade ao aliviar as compensações fundamentais impostas pela exclusão de Pauli sobre os elétrons, "Vashaee diz." Assim como na descoberta do efeito spin-Seebeck, que levou à nova área da espincaloritrônica, onde o momento angular de spin é transferido para os elétrons, ambas as ondas de spin (ou seja, magnons) e as flutuações térmicas locais de magnetização no estado paramagnético (isto é, paramagnons) podem transferir seu momento linear para elétrons e gerar energia termelétrica. "
A pesquisa aparece em Avanços da Ciência .
