Paramagnons und Magnons: Energie aus Wärme

Schauen Sie sich um, was sehen Sie? Häuser, Autos, Bäume, Menschen usw. Jeder rennt irgendwo hin, jeder hat es eilig. Eine Stadt, die vor allem während der Hauptverkehrszeit einem Ameisenhaufen ähnelt, ist immer voller Verkehr. Und das gleiche Bild wird nicht nur in der "großen" Welt beobachtet, sondern auch auf atomarer Ebene, wo sich unzählige Teilchen aufeinander zu bewegen, kollidieren, sich entfernen und wieder einen neuen Partner für ihren unglaublich komplexen und manchmal so kurzen Tanz finden. Abgesehen von Übertreibung und Poesie werden wir heute über eine Studie sprechen, in der ein internationales Team von Wissenschaftlern der University of North Carolina, des Oak Ridge National Laboratory, der Ohio State University und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bewiesen hat, dass Paramagnonen Temperaturunterschiede in elektrische Spannung umwandeln können. Was sind Parameter, was ist ihre Besonderheit, wie haben Wissenschaftler ihren ungewöhnlichen „Generator“ realisiert und wie effektiv ist er? Dies erfahren wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Theoretische Basis

Zunächst sollten wir uns mit diesen obskuren Paramagnons befassen, was sie sind und womit sie essen. Und dafür müssen Sie verstehen, was ihre älteren Brüder sind - die Magnonen.

Magnon ist ein Quasiteilchen, das der Elementaranregung im Moment der Spinwechselwirkung entspricht (intrinsischer Drehimpuls von Elementarteilchen, der nicht mit der Bewegung des Teilchens im Raum zusammenhängt).

In Festkörpern mit magnetischen Ionen können thermische Spinstörungen entweder miteinander (Ferromagnete oder Antiferromagnete) oder nicht (Paramagnete) ausgerichtet sein, d.h. Bestellt oder nicht bestellt.

Bei Paramagneten scheinen Spins im Gegensatz zu Ferromagneten / Antiferromagneten chaotisch zu sein, aber dies ist nicht ganz richtig. Tatsächlich bilden sie kurzfristige, lokal geordnete Strukturen der Nahbereichsinteraktion - Paramagnonen, die für eine sehr, sehr kurze Zeit (Milliardstel Sekunden oder sogar weniger) existieren. In Bezug auf die Verteilung überspannen die Paramagnonen nur wenige Atome (2 bis 4).

Einfach ausgedrückt, ähnelt die Aktivität von Paramagnons der physischen Verwirklichung des Slogans „Leben schnell, stirb jung“ (schnell leben, jung sterben), von dem das frühere Interesse an ihnen nicht so groß war. In der Arbeit, die wir heute betrachten, haben Wissenschaftler gezeigt, dass sich sogar Paramagnonen mit einem Temperaturunterschied bewegen und ein paar freie Elektronen mitnehmen können, wodurch eine thermische EMK * erzeugt wird .

Thermoelektrischer Effekt * (Thermo-EMF / Seebeck-Effekt) - das Phänomen des Auftretens einer elektromotorischen Kraft an den Enden von in Reihe geschalteten heterogenen Leitern, deren Kontakte unterschiedliche Temperaturen haben.

Dieses ungewöhnliche Phänomen wurde als "Paramagnon-Widerstand" (Paramagnon-Widerstand) bezeichnet, der die Fähigkeit von Paramagnons, Elektronen hinter sich zu "ziehen", perfekt beschreibt.

Wissenschaftler konnten in der Praxis zeigen, dass sich die Paramagnon-Traktion in Mangantellurid (MnTe) auf sehr hohe Temperaturen erstreckt und eine Thermo-EMK erzeugt, die viel stärker ist, als es ausschließlich elementare elektrische Ladungen erreichen könnten.

Genauer gesagt haben Wissenschaftler herausgefunden, dass lokale Schwankungen der thermischen Magnetisierung in Lithium-dotiertem Mangantellurid (MnTe) seine Thermo-EMK bei Temperaturen von bis zu 900 K stark erhöhen. Unterhalb der Néel-Temperatur (T _N ~ 307 K) ist Mangantellurid antiferromagnetisch.

Die Néel-Temperatur * (Néel-Punkt, T _N ) ist ein Analogon zum Curie-Punkt, jedoch für einen Antiferromagneten. Bei Erreichen des Néel-Punktes verliert ein Antiferromagnet seine magnetischen Eigenschaften und verwandelt sich in einen Paramagneten.

Der Magnonschub bleibt im paramagnetischen Zustand bis zu> 3 x T _N aufgrund langlebiger kurzzeitiger antiferromagnetischer Schwankungen (Paramagnonen) im paramagnetischen Zustand bestehen, was durch Neutronenspektroskopie bestätigt wurde. Darüber hinaus ist die Paramagnon-Lebensdauer länger als die Wechselwirkungszeit des Ladungsträgers und des Magnons, seine räumliche Spin-Spin-Korrelationslänge ist länger als der Bohr-Radius * und die De-Broglie-Wellenlänge * für freie Träger.

Der Bohr-Radius * ist der Radius der Umlaufbahn des Elektrons des Wasserstoffatoms, das dem Kern im Atommodell am nächsten liegt, wobei sich die Elektronen in Kreisbahnen um den Kern bewegen.

Die De Broglie-Wellenlänge * ist die Wellenlänge, die die Wahrscheinlichkeitsdichte für die Erfassung eines Objekts an einem bestimmten Punkt im Konfigurationsraum bestimmt. Die De-Broglie-Wellenlänge ist umgekehrt proportional zum Teilchenimpuls.

Folglich sehen Paramagnonen für sich bewegende Ladungsträger wie Magnonen aus und geben die Thermo-EMF der Paramagnon-Traktion.

In dieser Arbeit verwendeten die Wissenschaftler, wie wir bereits wissen, Lithium-dotiertes MnTe sowie einen antiferromagnetischen (AFM) p-Halbleiter mit einer Ordnungstemperatur T _N ~ 307 K, einer Curie-Weiss-Temperatur T _C ~ –585 K und einer Bandlücke Eg ~ 1,2 eV . Die Lochkonzentration (positiver Ladungsträger) wird durch Ändern der Lithiumkonzentration (Li) eingestellt (2,5 × 10 ¹⁹ <n <2 × 10 ²¹ cm ^–3 ). Die Parameter wurden durch Neutronenspektroskopie bestimmt und ihre Lebensdauer (t _L = ~ 3 × 10 ^–14 s) wurde bis zu einer Temperatur von 450 K gemessen.

Forschungsergebnisse

Sechs polykristalline Li _x Mn _1-x Te-Proben mit Dotierungsniveaus x = 0,003, 0,01, 0,02, 0,03, 0,04 und 0,06 wurden zur Analyse hergestellt. Die Lochkonzentration für die Proben betrug 5,5 × 10 ¹⁹ , 15 × 10 ¹⁹ , 29 × 10 ¹⁹ , 45 × 10 ¹⁹ , 35 × 10 ¹⁹ bzw. 100 × 10 ¹⁹ cm ^–3 .

Proben wurden erhalten, indem die Ausgangselemente 8 Stunden lang in einem argonhaltigen Gefäß aus rostfreiem Stahl unter Verwendung einer Hochenergie-Vibrationskugelmühle gemahlen wurden. Nach dem Mahlen wurde die resultierende Masse 20 Minuten lang bei 1173 K durch Funkenplasmasintern unter einem Axialdruck von 40 MPa mit einer Heizrate von 50 K / min heißgepresst. Die erhaltenen scheibenförmigen Proben hatten einen Durchmesser von 12,7 mm und ihre Dicke betrug ~ 2 mm. Wissenschaftler haben den spezifischen Schub und die Thermo-EMF an Proben gemessen, die sowohl senkrecht als auch parallel zur Pressrichtung geschnitten wurden. Diese Analyse bestätigte die Isotropie beider Probenvarianten (d. H. Sie sind gleich).


Bild Nr. 1

Fig. 1A zeigt die Temperaturabhängigkeit der Thermo-EMF für alle sechs Proben. Alle Kurven in der Grafik haben ein gemeinsames Merkmal: Nach dem Spitzenwert der Phononentraktion im Bereich von 30 K steigt die Thermo-EMF bei T <150 K langsam an, dann gibt es einen starken Sprung bei 150 K <T ≤ T _N und dann einen allmählichen Anstieg bei 150 K. <T <750 K.

Die Diagramme 1B und 1C zeigen spezifische Schub- und Wärmeleitfähigkeitsdaten, die zur Berechnung des in 1D gezeigten Qualitätsfaktors (Z _{T T} ) verwendet werden. Der Wert von Z _{T T} = 1 wird bei einem Dotierungsgrad von x = 0,03 und einer Temperatur von T = 850 K erreicht.

Neutronenstreuungsmessungen wurden auch durchgeführt, um die magnetische Struktur der Probe mit x = 0,03 im paramagnetischen Modus zu untersuchen. Diese Studie spielt eine wichtige Rolle, da gerade im paramagnetischen Modus eine hohe Güte erreicht wird.

In der AFM-Phase bei 250 K wird eine Streuung von Magnonen beobachtet, die von den magnetischen Bragg- Peaks * bei 0,92 und 1,95 Å ⁻¹ ausgeht. Die Magnonregionen dehnen sich auf eine maximale Energie von ~ 30 meV aus.

Die Bragg-Kurve * ist ein Diagramm der Abhängigkeit des Partikelenergieverlusts von der Eindringtiefe in die Substanz.

Bild Nr. 2

Wenn die Temperatur einen Index über ~ 350 K erreicht, wird bei 0,92 Å ^{−1 eine} explizite Streuung der Paramagnonen beobachtet, und der Magnonenbereich verschwindet bei 30 meV. Man kann also sagen, dass die Paramagnonstreuung mit der Temperatur in Intensität und Energieverteilung bis zu 450 K ( 2B - 2D ) korreliert. Darüber hinaus hängt die Paramagnonstreuung nicht von der Li-Konzentration im untersuchten Bereich von 0,3 bis 5 at.% ( 2F und 2G ) ab.

Wissenschaftler stellen eine weitere merkwürdige Tatsache fest: Daten, die über einen Zeitraum von 1 Minute geändert wurden ( 2B ), zeigen dieselben Merkmale wie Daten, die über einen Zeitraum von 1 Stunde gemessen wurden ( 2C und 2D ).


Bild Nr. 3

Die Konzentration der Ladungsträger ( n ) wurde auch aus Messungen des Hall-Effekts im AFM-Modus (antiferromagnetisch) ( 3A ) gemessen. Der Hall-Koeffizient zeigt die Anomalie bei T _N (Néel-Temperatur) und kann auch in verschiedenen Proben Werte im PM-Modus (paramagnetisch) anzeigen, die sich von den Werten im AFM-Modus unterscheiden. Da die Trägerkonzentration durch das von der Temperatur unabhängige Dotierungsniveau von Li bestimmt wird, ist die Konzentration selbst auch bei n> 6 × 10 ¹⁹ cm ^–3 temperaturunabhängig.

Die spezifische Wärme von Magnon (C _m ) wurde experimentell aus Messungen der gesamten spezifischen Wärme bestimmt. Die spezifische Wärme ( C ) aller sechs Proben hat die gleiche Temperaturabhängigkeitskurve und zeigt keine Feldabhängigkeit bis zu 7 T. 3B zeigt die spezifische Wärme einer mit 6% Li dotierten Probe, die aus der Debye-Temperatur * besteht , dem elektronischen Beitrag bei T <6 K und magnetischer Beitrag.

Die Debye-Temperatur * ist die Temperatur, bei der alle Schwingungsmoden in einem Festkörper angeregt werden.

Der elektronische Teil bei niedriger Temperatur folgt der Diffusionsthermo-EMF, der Phononenteil folgt der Debye-Funktion und der magnetische Teil folgt der Magnonentraktion. Bei niedrigen Temperaturen ist die spezifische Wärme sowohl von Phononen als auch von Magnonen proportional zur Traktion der Magnonen, und die spezifische Wärme von Elektronen ist proportional zur Temperatur.

Grafik 3C zeigt die Hall-Ladungsmobilität, die zur Berechnung der Elektronenstreuzeit ( 3D ) verwendet wurde.

Im AFM-Modus ist die gesamte Thermo-EMF ( a ) als die Summe aus Magnonentraktion ( a _md ) und Diffusionsthermo-EMF ( a _d ) definiert.


Bild Nr. 4

Im PM-Modus zeigen die Daten, dass die gesamte Thermo-EMF auch zwei Komponenten aufweist: Diffusionsthermo-EMF und zusätzliche Thermo-EMF, unabhängig von einer Temperatur von bis zu 800 K.

In den obigen Diagrammen ist die Diffusionsthermo-EMF durch eine gestrichelte Linie bei T> T _{N dargestellt.} Hier sehen Sie die Bestätigung, dass die Thermo-EMF im PM-Modus mit der Temperatur ansteigt. In diesem Fall unterscheidet sich der experimentelle Wert der Thermo-EMF stark vom berechneten Wert. Dieser Unterschied ist ein Indikator für die Traktion von Thermo-EMF-Magnonen bei T _N. Dieser Bereich der Differenz in der Grafik, der der Magnon-Traktion im PM-Modus zugeschrieben wird, erweitert sich, von wo aus er nun zuverlässig der Paramagnon-Traktion zugeordnet werden kann. Beobachtungen zeigen, dass dieses Phänomen unabhängig von Temperaturen bis zu 800 K bleibt, aber bis zu 900 K weiterhin besteht.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Eine Untersuchung der thermoelektrischen Eigenschaften von Lithium-dotiertem MnTe zeigte, dass die berechnete (theoretische) Magnon-Thermo-EMF in einem magnetisch geordneten Zustand gut mit dem übereinstimmt, was in der Praxis erhalten wurde. Die Wissenschaftler bestätigten auch die Existenz von Paramagnonen im PM MnTe-Modus und ihren signifikanten Beitrag zur Bildung von Thermo-EMF.

Ein Q-Faktor von 1 wurde auch bei 900 K in einer mit 3% Li dotierten Probe erhalten. Dies zeigt, dass Paramagnons eine neue Runde in der Untersuchung von thermoelektrischen Hochleistungsmaterialien sein können.

Solche Studien können eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Technologie zum Sammeln von Wärmeenergie spielen, die in Form der Umwandlung von Autoabgasen in Elektrizität und sogar für tragbare Elektronik, die von der Wärme des menschlichen Körpers angetrieben wird, implementiert werden kann.

Jetzt besteht die Tendenz, Energie zu suchen, wo immer sie sein kann. Dies ist wiederum durchaus durch die Situation zu erklären, in der sich die Menschheit derzeit in Bezug auf begrenzte Ressourcen und eine wachsende Nachfrage nach energieeffizienten Technologien befindet. Es ist unmöglich zu sagen, dass dies schlecht ist, aber viele mit offener Skepsis beziehen sich auf solche Initiativen und argumentieren, dass es entweder unwirksam oder zu spät ist. Wie das alte Sprichwort sagt, ist spät besser als nie.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs! :) :)

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