Echa un vistazo, ¿qué ves? Casas, autos, árboles, personas, etc. Todos corren a algún lado, todos tienen prisa. Una ciudad que se parece a un hormiguero, especialmente durante las horas pico, siempre está llena de tráfico. Y la misma imagen se observa no solo en el mundo "grande", sino también a nivel atómico, donde innumerables partículas se mueven unas hacia otras, chocan, se alejan y nuevamente encuentran una nueva pareja para su baile increíblemente complejo y, a veces, tan corto. Dejando de lado la exageración y la poesía, hoy hablaremos de un estudio en el que un equipo internacional de científicos de la Universidad de Carolina del Norte, el Laboratorio Nacional Oak Ridge, la Universidad Estatal de Ohio y la Academia de Ciencias de China demostró que los paramagnones pueden convertir las diferencias de temperatura en voltaje eléctrico. ¿Qué son los paramagnones, cuál es su característica única, cómo los científicos se dieron cuenta de su inusual "generador" y qué tan efectivo es? Aprendemos sobre esto del informe del grupo de investigación. Vamos
Base teórica
Para empezar, debemos tratar con estos oscuros paramagnones, qué son y con qué comen. Y para esto necesitas entender cuáles son sus hermanos mayores: los magnones.
Magnon es una cuasipartícula que corresponde a la excitación elemental en el momento de la interacción del espín (momento angular intrínseco de las partículas elementales, no relacionado con el movimiento de la partícula en el espacio).
En los sólidos con iones magnéticos, las perturbaciones del espín térmico pueden alinearse entre sí (ferromagnetos o antiferromagnetos) o no alinearse (paramagnetos), es decir. Ordenado o no ordenado.
En los paramagnetos, los giros parecen ser caóticos, a diferencia de los ferromagnetos / antiferromagnetos, pero esto no es del todo cierto. De hecho, forman estructuras de interacción a corto plazo ordenadas localmente a corto plazo: paramagnones, que existen durante un tiempo muy, muy corto (billonésimas de segundo, o incluso menos). En términos de distribución, los paramagnons abarcan solo unos pocos átomos (2 a 4).
En pocas palabras, la actividad de los paramagnons se asemeja a la realización física del eslogan "vive rápido, muere joven" (vive rápido, muere joven), por lo que el interés anterior en ellos no era tan grande. Pero en el trabajo que estamos considerando hoy, los científicos han demostrado que incluso los paramagnones pueden moverse con una diferencia de temperatura y llevar consigo un par de electrones libres, generando
fem térmica * .
Efecto termoeléctrico * ( efecto termo-EMF / Seebeck): el fenómeno de la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos de conductores heterogéneos conectados en serie, cuyos contactos están a diferentes temperaturas.
Este fenómeno inusual se llamó "arrastre de paramagnon" (arrastre de paramagnon), que describe perfectamente la capacidad de los paramagnons para "tirar" de electrones detrás de ellos.
Los científicos han podido demostrar en la práctica que la tracción del paramagnon en el telururo de manganeso (MnTe) se extiende a temperaturas muy altas y genera termo-fem, que es mucho más fuerte de lo que podrían lograr las cargas eléctricas exclusivamente elementales.
Más precisamente, los científicos han descubierto que las fluctuaciones locales de magnetización térmica en el telururo de manganeso dopado con litio (MnTe) aumentan en gran medida su termoemisividad a temperaturas de hasta 900 K. Por debajo de la temperatura de Néel (T
N ~ 307 K), el telururo de manganeso es antiferromagnético.
La temperatura de Néel * (punto de Néel, T N ) es un análogo del punto de Curie, pero para un antiferromagnet. Al llegar al punto de Néel, un antiferromagnet pierde sus propiedades magnéticas y se convierte en un paramagnet.
El empuje de Magnon persiste en el estado paramagnético hasta> 3 x T
N debido a fluctuaciones de tipo antiferromagnético (paramagnones) de corta duración que existen en el estado paramagnético, lo que fue confirmado por espectroscopía de neutrones. En este caso, la vida útil del paramagnon es más larga que el tiempo de interacción del portador de carga y el magnon, su longitud de correlación espacial spin-spin es más larga que el
radio de Bohr * y la
longitud de onda de De Broglie * para los portadores libres.
El radio de Bohr * es el radio de la órbita del electrón del átomo de hidrógeno más cercano al núcleo en el modelo del átomo, donde los electrones se mueven en órbitas circulares alrededor del núcleo.
La longitud de onda * de De Broglie es la longitud de onda que determina la densidad de probabilidad de detectar un objeto en un punto dado en el espacio de configuración. La longitud de onda de De Broglie es inversamente proporcional al momento de la partícula.
En consecuencia, para los portadores de carga en movimiento, los paramagnones se parecen a los magnones y le dan al termo-EMF de tracción paramagnon.
En este trabajo, los científicos utilizaron, como ya sabemos, MnTe dopado con litio, así como un semiconductor de tipo p antiferromagnético (AFM) con una temperatura de pedido T
N ~ 307 K, una temperatura de Curie-Weiss T
C ~ −585 K y un intervalo de banda Eg ~ 1.2 eV . La concentración del orificio (portador de carga positiva) se ajusta (2.5 × 10
19 <n <2 × 10
21 cm
−3 ) cambiando la concentración de litio (Li). Los paramagnones se determinaron mediante espectroscopía de neutrones, y su vida útil (t
L = ~ 3 x
10-14 s) se midió hasta una temperatura de 450 K.
Resultados de la investigación
Se prepararon seis muestras policristalinas de Li
x Mn
1-x Te con niveles de dopaje x = 0.003, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04 y 0.06 para el análisis. La concentración de agujeros para las muestras fue de 5.5 x 10
19 , 15 x 10
19 , 29 x 10
19 , 45 x 10
19 , 35 x 10
19 y 100 x 10
19 cm
-3, respectivamente.
Las muestras se obtuvieron moliendo los elementos de partida durante 8 horas en un recipiente que contenía argón hecho de acero inoxidable usando un molino de bolas vibratorio de alta energía. Después de la molienda, la masa resultante se prensó en caliente a 1173 K durante 20 minutos mediante sinterización por plasma de chispa bajo una presión axial de 40 MPa con una velocidad de calentamiento de 50 K / min. Las muestras en forma de disco obtenidas tenían un diámetro de 12,7 mm y su espesor era de ~ 2 mm. Los científicos han medido el empuje específico y termo-EMF en muestras cortadas tanto perpendicularmente como paralelas a la dirección de prensado. Este análisis confirmó la isotropía de ambas variantes de muestra (es decir, son las mismas).
Imagen No. 1La Figura
1A muestra la dependencia de la temperatura de termo-EMF para las seis muestras. Todas las curvas en el gráfico tienen una característica común: después del pico de tracción de fonones en la región de 30 K, el termo-EMF aumenta lentamente a T <150 K, luego hay un salto brusco a 150 K <T ≤ T
N , y luego un aumento gradual a 150 K <T <750 K.
Los gráficos
1B y
1C muestran datos específicos de empuje y conductividad térmica que se utilizan para calcular el factor de calidad (Z
T T ) que se muestra en la Figura
1D . El valor de Z
T T = 1 se alcanza a un nivel de dopaje de x = 0.03 y una temperatura de T = 850 K.
También se realizaron mediciones de dispersión de neutrones para estudiar la estructura magnética de la muestra con x = 0.03 en el modo paramagnético. Este estudio juega un papel importante, ya que se logra una alta cifra de mérito precisamente en el modo paramagnético.
En la fase AFM a 250 K, se observa la dispersión de los magnones, que emana de los picos de
Bragg magnéticos
* a 0,92 y 1,95 Å
−1 . Las regiones magnónicas se expanden a una energía máxima de ~ 30 meV.
La curva de Bragg * es un gráfico de la dependencia de la pérdida de energía de las partículas en la profundidad de penetración en la sustancia.
Imagen No. 2Cuando la temperatura alcanza un índice superior a ~ 350 K, se observa una dispersión explícita de paramagnones a 0,92 Å
−1 , y la región del magnón desaparece a 30 meV. Por lo tanto, se puede decir que la dispersión de paramagnon se correlaciona con la temperatura en intensidad y distribución de energía de hasta 450 K (
2B -
2D ). Además, la dispersión de paramagnon no depende de la concentración de Li en el rango estudiado de 0.3 a 5 a.% (
2F y
2G ).
Los científicos observan otro hecho curioso: los datos modificados en un período de 1 minuto (
2B ) muestran las mismas características que los datos medidos en un período de 1 hora (
2C y
2D ).
Imagen No. 3La concentración de portadores de carga (
n ) también se midió a partir de mediciones del efecto Hall en el modo AFM (antiferromagnético) (
3A ). El coeficiente de Hall muestra una anomalía a T
N (temperatura de Néel), y también en diferentes muestras puede mostrar valores en el modo PM (paramagnético) que son diferentes de los valores en el modo AFM. Dado que la concentración de portador está determinada por el nivel de dopaje de Li, que es independiente de la temperatura, la concentración en sí también es independiente de la temperatura a n> 6 x 10
19 cm
−3 .
Con respecto al calor específico de magnón (C
m ), se determinó experimentalmente a partir de mediciones del calor específico total. El calor específico (
C ) de las seis muestras tiene la misma curva de dependencia de la temperatura y no muestra una dependencia de campo de hasta 7 T. La Figura
3B muestra el calor específico de una muestra dopada con 6% de Li, que consiste en
la temperatura de Debye * , la contribución electrónica en T <6 K y contribución magnética.
La temperatura de Debye * es la temperatura a la que se excitan todos los modos de vibración en un sólido.
La parte electrónica a baja temperatura sigue la difusión termo-EMF, la parte de fonón sigue la función de Debye y la parte magnética sigue la tracción de magnón. A bajas temperaturas, el calor específico de los fonones y los magnones es proporcional a la tracción del magnón, y el calor específico de los electrones es proporcional a la temperatura.
El gráfico
3C muestra la movilidad de carga Hall, que se utilizó para calcular el tiempo de dispersión de electrones (
3D ).
En el modo AFM, el termo-EMF total (
a ) se define como la suma de la tracción magnónica (
a md ) y el termo-EMF de difusión (
a d ).
Imagen No. 4En el modo PM, los datos muestran que el termo-EMF total también tiene dos componentes: termo-EMF de difusión y termo-EMF adicional, independiente de la temperatura de hasta 800 K.
En los gráficos anteriores, la difusión termo-EMF está representada por una línea discontinua en T> T
N. Aquí puede ver la confirmación de que el termo-EMF aumenta con la temperatura en el modo PM. En este caso, el valor experimental de termo-EMF es muy diferente del valor calculado. Esta diferencia es un indicador de tracción de magnón termo-EMF en T
N. Esta área de la diferencia en el gráfico, atribuida a la tracción de magnón, en el modo PM se expande, desde la cual ahora se puede atribuir de manera confiable a la tracción de paramagnon. Las observaciones muestran que este fenómeno permanece independiente de temperaturas de hasta 800 K, pero continúa existiendo hasta 900 K.
Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el
informe de los científicos y los
materiales adicionales .
Epílogo
Un estudio de las propiedades termoeléctricas de MnTe dopado con litio mostró que el magnon thermo-EMF calculado (teórico) en un estado ordenado magnéticamente concuerda bien con lo que se ha obtenido en la práctica. Los científicos también confirmaron la existencia de paramagnones en el modo PM MnTe y su contribución significativa a la formación de termo-EMF.
También se obtuvo un factor Q de 1 a 900 K en una muestra dopada con 3% de Li. Esto muestra que los paramagnones pueden ser una nueva ronda en el estudio de materiales termoeléctricos de alto rendimiento.
Dichos estudios pueden desempeñar un papel importante en la mejora de la tecnología de recolección de energía térmica, que se puede implementar en la forma de convertir los gases de escape de los automóviles en electricidad e incluso para dispositivos electrónicos portátiles que funcionan con el calor del cuerpo humano.
Ahora hay una tendencia a buscar energía donde sea que esté. Nuevamente, esto es bastante explicable por la situación en la que la humanidad se encuentra ahora en el aspecto de los recursos limitados y la creciente demanda de tecnologías energéticamente eficientes. Es imposible decir que esto es malo, pero muchos con escepticismo abierto se relacionan con tales iniciativas, argumentando que es ineficaz o demasiado tarde. Sin embargo, como dice el viejo refrán, tarde es mejor que nunca.
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