Paramagnons و magnons: الطاقة من الحرارة

ألقِ نظرة حولك ، ماذا ترى؟ المنازل ، السيارات ، الأشجار ، الناس ، إلخ. الجميع يركضون في مكان ما ، الجميع في عجلة من أمرهم. مدينة تشبه عش النمل ، خاصة خلال ساعة الذروة ، تمتلئ دائمًا بحركة المرور. وتُلاحظ الصورة نفسها ، ليس فقط في العالم "الكبير" ، ولكن أيضًا على المستوى الذري ، حيث تتحرك جزيئات لا حصر لها تجاه بعضها البعض ، تصطدم ، تبتعد وتجد مرة أخرى شريكًا جديدًا لرقصها المعقد ، وأحيانًا قصير جدًا. إذا وضعنا جانبا المبالغة والشعر ، سنتحدث اليوم عن دراسة قام فيها فريق دولي من العلماء من جامعة نورث كارولينا ومختبر أوك ريدج الوطني وجامعة ولاية أوهايو والأكاديمية الصينية للعلوم بإثبات أن الباراماجنون يمكن أن يحول الاختلافات في درجات الحرارة إلى جهد كهربي. ما هي العوامل الأساسية ، وما هي ميزتها الفريدة ، وكيف أدرك العلماء "مولدهم" غير العادي وما مدى فاعليته؟ نتعرف على هذا من تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

قاعدة نظرية

بادئ ذي بدء ، يجب أن نتعامل مع هذه العوامل الغامضة الغامضة ، وما هي وماذا يأكلون. ولهذا عليك أن تفهم ماهية إخوانهم الأكبر سناً - المجنون.

ماجنون هو جسيم شبه يتوافق مع الإثارة الأولية في لحظة تفاعل الدوران (الزخم الزاوي جوهري للجزيئات الأولية ، ولا يرتبط بحركة الجسيم في الفضاء).

في المواد الصلبة ذات الأيونات المغنطيسية ، يمكن للاضطرابات الدورانية الحرارية إما أن تصطف مع بعضها البعض (مغناطيس الحديد أو مغناطيسات مضادة) أو لا تصطف (مغناطيسات) ، أي أمرت أم لا أمرت.

في مغناطيسات ، يبدو أن الدورات تدور حول الفوضى ، على عكس المغناطيسات المغناطيسية / المغناطيسات المضادة ، ولكن هذا ليس صحيحًا تمامًا. في الواقع ، فهي تشكل هياكل قصيرة المدى ، مرتبة محليا للتفاعل قصير المدى - باراماجونات ، موجودة لفترة قصيرة جدا (المليارات من الثانية ، أو حتى أقل). فيما يتعلق بالتوزيع ، لا تمتد البارامونونات سوى عدد قليل من الذرات (2 إلى 4).

ببساطة ، فإن نشاط paramagnons يشبه الإدراك الجسدي لشعار "سريع الحياة ، ويموت الشباب" (العيش بسرعة ، ويموت الشباب) ، والتي لم يكن الاهتمام بها في وقت مبكر كبيرة جدا. ولكن في العمل الذي نفكر فيه اليوم ، أظهر العلماء أنه حتى العوامل البارزة يمكنها التحرك مع اختلاف درجات الحرارة وتأخذ معها إلكترونين حرّين ، يولدان emf حراريًا * .

التأثير الحراري * * ( التأثير الحراري EMF / Seebeck) - ظاهرة ظهور القوة الدافعة الكهربائية في نهايات الموصلات غير المتجانسة المتصلة بالسلسلة ، والتي تتلامس بينهما في درجات حرارة مختلفة.

هذه الظاهرة غير العادية كانت تسمى "السحب باراماجنون" (باراماجون جر) ، والتي تصف تماما قدرة باراماجنون على "سحب" الإلكترونات وراءهم.

تمكن العلماء من أن يظهروا في الممارسة العملية أن الجر الباراماجون في تيلورايد المنغنيز (MnTe) يمتد إلى درجات حرارة عالية للغاية ويولد emf الحرارية ، وهو أقوى بكثير مما يمكن أن تحققه الشحنات الكهربائية الأولية فقط.

بتعبير أدق ، وجد العلماء أن التقلبات المحلية في المغنطة الحرارية في تيلورايد المنغنيز المنغنيز عن الليثيوم (MnTe) تزيد بدرجة كبيرة من درجة حرارتها الكهرمغنطيسية عند درجات حرارة تصل إلى 900 كلفن. تحت درجة حرارة نيل (T _N ~ 307 K) ، يكون التيلورايد المنغنيز مضادًا للحرارة.

درجة حرارة Néel * (نقطة Néel ، T _N ) هي تناظرية لنقطة كوري ، ولكن بالنسبة لمضاد المغناطيسية. عند الوصول إلى نقطة Néel ، تفقد المغناطيسية المغناطيسية خصائصها المغناطيسية وتتحول إلى شبكة مغناطيسية.

يستمر دفع ماجنون في الحالة المغنطيسية حتى> 3 × T _N بسبب تقلبات شبيهة بمضادات المغناطيسية قصيرة الأجل طويلة الأجل (paramagnons) الموجودة في الحالة المغنطيسية ، وهو ما أكده التحليل الطيفي النيوتروني. في هذه الحالة ، يكون عمر paramagnon أطول من وقت التفاعل بين حامل الشحنة وماجنون ، ويبلغ طول الارتباط المكاني المغزلي المغزلي له طولًا أطول من نصف قطر Bohr * و de Broglie الطول الموجي * للناقلات المجانية.

نصف قطر Bohr * هو نصف قطر مدار إلكترون ذرة الهيدروجين الأقرب إلى النواة في نموذج الذرة ، حيث تتحرك الإلكترونات في مدارات دائرية حول النواة.

الطول الموجي De Broglie * هو الطول الموجي الذي يحدد كثافة الاحتمال لاكتشاف كائن في نقطة معينة في مساحة التكوين. يتناسب الطول الموجي لـ Broglie معاكسًا لزخم الجسيمات.

وبالتالي ، بالنسبة إلى حاملات الشحن المتحرك ، تشبه البارامونونات مثل المغنونات وتعطي درجة حرارتها الكهرومغناطيسية للجر باراماجنون.

في هذا العمل ، استخدم العلماء ، كما نعلم بالفعل ، MnTe المخدر بالليثيوم ، وكذلك أشباه الموصلات من النوع p المضادة للهرمغنطيسي (AFM) مع درجة حرارة الطلب T _N ~ 307 K ، ودرجة حرارة Curie-Weiss T _C ~ −585 K وفجوة النطاق Eg ~ 1.2 eV . يتم ضبط تركيز الفتحة (حامل الشحنة الموجبة) (2.5 × 10 ¹⁹ <n <2 × 10 ²¹ cm ⁻³ ) عن طريق تغيير تركيز الليثيوم (Li). تم تحديد paramagnons بواسطة التحليل الطيفي النيوتروني ، وقاس عمرها (ر _L = ~ 3 × 10 ^-14 ثانية) تصل إلى درجة حرارة 450 K.

نتائج البحوث

تم تحضير ست عينات Li _x Mn _1-x متعددة الكريستالات بمستويات المنشطات x = 0.003 ، 0.01 ، 0.02 ، 0.03 ، 0.04 و 0.06 للتحليل. كان تركيز الثقب للعينات 5.5 × 10 ¹⁹ ، 15 × 10 ¹⁹ ، 29 × 10 ¹⁹ ، 45 × 10 ¹⁹ ، 35 × 10 ¹⁹ و 100 × 10 ¹⁹ سم ^{-3 ،} على التوالي.

تم الحصول على عينات عن طريق طحن عناصر الانطلاق لمدة 8 ساعات في وعاء يحتوي على الأرجون مصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ باستخدام مطحنة كروية اهتزازية عالية الطاقة. بعد الطحن ، تم ضغط الكتلة الناتجة عند درجة حرارة 1173 كلفن لمدة 20 دقيقة عن طريق تلبد بلازما شرارة تحت ضغط محوري يبلغ 40 ميجا باسكال بمعدل تسخين 50 ك / دقيقة. العينات التي تم الحصول عليها على شكل قرص قطرها 12.7 مم ، وسمكها كان ~ 2 مم. قام العلماء بقياس الاتجاه المحدد والحرارية الكهرومغناطيسية (EMF) الحرارية على عينات مقطوعة بشكل عمودي وموازٍ لاتجاه الضغط. أكد هذا التحليل تباين الخواص لكلا النموذجين (بمعنى أنهما متماثلان).


الصورة رقم 1

ويبين الشكل 1A اعتماد درجة الحرارة من EMF الحرارية لجميع العينات الست. تتميز جميع منحنيات الرسم البياني بميزة شائعة: بعد ذروة الجر الصوتي في منطقة 30 كلفن ، تزداد درجة الحرارة الحرارية EMF ببطء عند T <150 K ، ثم هناك قفزة حادة عند 150 K <T ≤ T _N ، ثم زيادة تدريجية عند 150 K <T <750 K.

يوضح الرسمان 1B و 1 C بيانات محددة عن التوصيل والتوصيل الحراري تستخدم لحساب عامل الجودة (Z _{T T} ) الموضح في الشكل 1D . يتم تحقيق قيمة Z _{T T} = 1 عند مستوى المنشطات x = 0.03 ودرجة حرارة T = 850 K.

أجريت قياسات التشتت النيوتروني أيضًا لدراسة التركيب المغناطيسي للعينة بـ x = 0.03 في الوضع المغنطيسي. تلعب هذه الدراسة دورًا مهمًا ، حيث يتم تحقيق درجة عالية من الجدارة بالتحديد في الوضع المغنطيسي.

في طور AFM عند 250 كلفن ، لوحظ تناثر المغنيسيوم ، المنبثق من قمم براغ المغناطيسية * عند 0.92 و 1.95 Å ⁻¹ . توسيع مناطق magnon إلى طاقة قصوى تصل إلى 30 مللي فولت.

منحنى Bragg * هو رسم بياني لاعتماد فقدان طاقة الجسيم على عمق الاختراق في المادة.

الصورة رقم 2

عندما تصل درجة الحرارة إلى مؤشر أعلى من ~ 350 K ، لوحظ انتثار واضح من paramagnons في 0.92 Å ⁻¹ ، وتختفي منطقة magnon في 30 meV. وبالتالي ، يمكن القول أن انتثار paramagnon يرتبط مع درجة الحرارة في الكثافة وتوزيع الطاقة يصل إلى 450 K ( 2B - 2D ). بالإضافة إلى ذلك ، لا يعتمد انتثار paramagnon على تركيز Li في المدى المدروس من 0.3 إلى 5٪. ( 2F و 2G ).

يلاحظ العلماء حقيقة أخرى غريبة: البيانات التي تم تغييرها خلال فترة دقيقة واحدة ( 2B ) تظهر نفس الميزات التي تم قياسها على البيانات خلال فترة من ساعة واحدة ( 2C و 2D ).


الصورة رقم 3

تم قياس تركيز ناقلات الشحنة ( n ) أيضًا من قياسات تأثير Hall في وضع AFM (antiferromagnetic) ( 3A ). يُظهر معامل Hall شذوذًا عند T _N (درجة حرارة Néel) ، وأيضًا في عينات مختلفة يمكنه إظهار القيم في وضع PM (paramagnetic) التي تختلف عن القيم في وضع AFM. نظرًا لأن تركيز الحامل يتحدد بمستوى المنشطات في Li ، وهو مستقل عن درجة الحرارة ، فإن التركيز نفسه مستقل أيضًا عن درجة الحرارة عند n> 6 × 10 ¹⁹ سم ⁻³ .

فيما يتعلق بالحرارة المحددة للميجنون (C _m ) ، تم تحديدها تجريبياً من قياسات الحرارة الكلية الكلية. الحرارة المحددة ( C ) لجميع العينات الست لها نفس منحنى الاعتماد على درجة الحرارة ولا تظهر اعتماد الحقل حتى 7 T. يوضح الشكل 3B الحرارة المحددة لعينة مخدرة بـ 6٪ Li ، والتي تتكون من درجة حرارة Debye * ، المساهمة الإلكترونية عند T <6 K والمساهمة المغناطيسية.

درجة حرارة Debye * هي درجة الحرارة التي تتحمس بها جميع أوضاع الاهتزاز في المادة الصلبة.

الجزء الإلكتروني في درجة حرارة منخفضة يتبع النشر الحراري EMF ، يتبع الجزء phonon وظيفة Debye ، والجزء المغناطيسي يتبع الجر المغنطيسي. في درجات الحرارة المنخفضة ، تتناسب الحرارة المحددة لكل من الفونونات والمغنونات مع الجر المغنوني ، وتكون الحرارة المحددة للإلكترونات متناسبة مع درجة الحرارة.

يُبيِّن الرسم البياني 3C إمكانية نقل شحنات القاعة ، والتي تم استخدامها لحساب وقت نثر الإلكترون ( 3D ).

في وضع AFM ، يتم تعريف إجمالي EMF الحراري ( أ ) على أنه مجموع الجر المغنوني ( _md ) ونشر EMF الحراري ( a _d ).


الصورة رقم 4

في وضع PM ، تظهر البيانات أن إجمالي EMF الحراري يحتوي أيضًا على مكونين: نشر EMF الحراري و EMF الحراري الإضافي ، بغض النظر عن درجة حرارة تصل إلى 800 K.

في الرسوم البيانية أعلاه ، يتم تمثيل الانتشار الحراري EMF بخط متقطع في T> T _N. هنا يمكنك رؤية التأكيد على أن EMF الحرارية تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة في وضع PM. في هذه الحالة ، تختلف القيمة التجريبية لـ EMO thermo-EMF اختلافًا كبيرًا عن القيمة المحسوبة. هذا الاختلاف هو مؤشر على الجر ماغنوم الحرارية EMF في T _N. يتم توسيع منطقة الاختلاف الموجودة على الرسم البياني ، والتي تُنسب إلى الجر المغنطيسي ، في وضع PM ، والتي يمكن الآن أن تُنسب بشكل موثوق إلى الجر paramagnon. تشير الملاحظات إلى أن هذه الظاهرة لا تزال مستقلة عن درجات حرارة تصل إلى 800 كلفن ، لكنها لا تزال موجودة حتى 900 كلفن.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

أظهرت دراسة أجريت على الخواص الحرارية للكهرومغناطيسية المنشطة بالليثيوم MnTe أن المغنطيس الحراري (EMF) المحسوب (النظري) في حالة مرغوبة مغنطيسيًا يتفق جيدًا مع ما تم الحصول عليه في الممارسة العملية. أكد العلماء أيضًا وجود العوامل البارزة في وضع PM MnTe وإسهامهم الكبير في تشكيل EMF الحراري.

تم الحصول على عامل Q من 1 عند 900 K في عينة مخدرة بـ 3٪ Li. هذا يدل على أن paramagnons يمكن أن تكون جولة جديدة في دراسة المواد الحرارية عالية الأداء.

يمكن أن تلعب مثل هذه الدراسات دورًا مهمًا في تحسين تقنية جمع الطاقة الحرارية ، والتي يمكن تنفيذها في شكل تحويل غازات عوادم السيارات إلى كهرباء وحتى بالنسبة للإلكترونيات التي يمكن ارتداؤها والتي تعمل بواسطة حرارة جسم الإنسان.

الآن هناك ميل إلى البحث عن الطاقة أينما كان. ومرة أخرى ، يمكن تفسير ذلك تمامًا بالوضع الذي أصبحت فيه البشرية الآن في جانب الموارد المحدودة والطلب المتزايد على التقنيات الموفرة للطاقة. من المستحيل القول إن هذا أمر سيئ ، لكن الكثير من الناس الذين يشككون في صراحة يتعلقون بمثل هذه المبادرات ، بحجة أنها إما غير فعالة أو متأخرة للغاية. ومع ذلك ، كما يقول المثل القديم ، فإن التأخير أفضل من عدمه.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب! :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟