Paramagnons et magnons: l'énergie de la chaleur

Regardez autour de vous, que voyez-vous? Maisons, voitures, arbres, personnes, etc. Tout le monde court quelque part, tout le monde est pressé. Une ville ressemblant à une fourmilière, surtout aux heures de pointe, est toujours pleine de circulation. Et la même image est observée non seulement dans le "grand" monde, mais aussi au niveau atomique, où d'innombrables particules se rapprochent, se heurtent, s'éloignent et trouvent à nouveau un nouveau partenaire pour leur danse incroyablement complexe et parfois si courte. Mis à part l'exagération et la poésie, nous parlerons aujourd'hui d'une étude dans laquelle une équipe internationale de scientifiques de l'Université de Caroline du Nord, du Oak Ridge National Laboratory, de l'Ohio State University et de la Chinese Academy of Sciences a prouvé que les paramagnons peuvent convertir les différences de température en tension électrique. Que sont les paramagnons, quelle est leur caractéristique unique, comment les scientifiques ont-ils réalisé leur «générateur» inhabituel et quelle est son efficacité? Nous en apprenons à travers le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base théorique

Pour commencer, nous devons nous occuper de ces paramagnons obscurs, de ce qu'ils sont et de ce qu'ils mangent. Et pour cela, vous devez comprendre ce que sont leurs frères aînés - les magnons.

Le magnon est une quasi-particule qui correspond à une excitation élémentaire au moment de l'interaction de spin (moment angulaire intrinsèque des particules élémentaires, non lié au mouvement de la particule dans l'espace).

Dans les solides contenant des ions magnétiques, les perturbations du spin thermique peuvent soit s'aligner les unes sur les autres (ferromagnétiques ou antiferromagnétiques), soit ne pas s'aligner (paramagnétiques), c'est-à-dire Commandé ou non commandé.

Dans les paramagnets, les spins semblent être chaotiques, contrairement aux ferromagnets / antiferromagnets, mais ce n'est pas tout à fait vrai. En fait, ils forment des structures à court terme, ordonnées localement, d'interaction à courte portée - les paramagnons, qui existent pendant très, très peu de temps (milliardièmes de seconde, voire moins). En termes de distribution, les paramagnons ne couvrent que quelques atomes (2 à 4).

En termes simples, l'activité des paramagnons ressemble à la réalisation physique du slogan «vivre vite, mourir jeune» (vivre vite, mourir jeune), dont l'intérêt antérieur pour eux n'était pas si grand. Mais dans les travaux que nous envisageons aujourd'hui, les scientifiques ont montré que même les paramagnons sont capables de se déplacer avec une différence de température et d'emporter avec eux quelques électrons libres, générant une emf thermique * .

Effet thermoélectrique * ( effet thermo-EMF / Seebeck) - phénomène d'apparition d'une force électromotrice aux extrémités de conducteurs hétérogènes connectés en série, dont les contacts sont à des températures différentes.

Ce phénomène inhabituel a été appelé "traînée de paramagnon" (traînée de paramagnon), qui décrit parfaitement la capacité des paramagnons à "tirer" des électrons derrière eux.

Les scientifiques ont pu montrer dans la pratique que la traction paramagnonique dans le tellurure de manganèse (MnTe) s'étend à des températures très élevées et génère des thermo-emf, ce qui est beaucoup plus fort que les charges électriques exclusivement élémentaires pourraient atteindre.

Plus précisément, les scientifiques ont découvert que les fluctuations locales de l'aimantation thermique dans le tellurure de manganèse dopé au lithium (MnTe) augmentent considérablement sa température thermique à des températures allant jusqu'à 900 K.En dessous de la température de Néel (T _N ~ 307 K), le tellurure de manganèse est antiferromagnétique.

La température de Néel * (point Néel, T _N ) est un analogue du point Curie, mais pour un antiferromagnet. En atteignant le point Néel, un antiferromagnet perd ses propriétés magnétiques et se transforme en paramagnet.

La poussée du magnon persiste dans l'état paramagnétique jusqu'à> 3 x T _{N en} raison de fluctuations de courte durée de type antiferromagnétique (paramagnons) qui existent dans l'état paramagnétique, ce qui a été confirmé par spectroscopie neutronique. De plus, la durée de vie du paramagnon est plus longue que le temps d'interaction du porteur de charge et du magnon, sa longueur de corrélation spatiale spin-spin est plus longue que le rayon de Bohr * et la longueur d'onde de Broglie * pour les porteurs libres.

Le rayon de Bohr * est le rayon de l'orbite de l'électron de l'atome d'hydrogène le plus proche du noyau dans le modèle atomique, où les électrons se déplacent sur des orbites circulaires autour du noyau.

La longueur d'onde De Broglie * est la longueur d'onde qui détermine la densité de probabilité de détection d'un objet à un point donné dans l'espace de configuration. La longueur d'onde de de Broglie est inversement proportionnelle à l'impulsion des particules.

Par conséquent, pour les porteurs de charge en mouvement, les paramagnons ressemblent à des magnons et donnent la thermo-EMF de la traction paramagnon.

Dans ce travail, les scientifiques ont utilisé, comme nous le savons déjà, du MnTe dopé au lithium, ainsi qu'un semi-conducteur de type p antiferromagnétique (AFM) avec une température de commande T _N ~ 307 K, une température de Curie-Weiss T _C ~ −585 K et une bande interdite Eg ~ 1,2 eV . La concentration du trou (porteur de charge positif) est réglée (2,5 × 10 ¹⁹ <n <2 × 10 ²¹ cm ⁻³ ) en modifiant la concentration de lithium (Li). Les paramagnons ont été déterminés par spectroscopie neutronique et leur durée de vie (t _L = ~ 3 x 10 ^-14 s) a été mesurée jusqu'à une température de 450 K.

Résultats de recherche

Six échantillons polycristallins Li _x Mn _1-x Te avec des niveaux de dopage x = 0,003, 0,01, 0,02, 0,03, 0,04 et 0,06 ont été préparés pour l'analyse. La concentration des trous pour les échantillons était de 5,5 x 10 ¹⁹ , 15 x 10 ¹⁹ , 29 x 10 ¹⁹ , 45 x 10 ¹⁹ , 35 x 10 ¹⁹ et 100 x 10 ¹⁹ cm ^-3, respectivement.

Des échantillons ont été obtenus en broyant les éléments de départ pendant 8 heures dans un récipient contenant de l'argon en acier inoxydable en utilisant un broyeur à boulets vibrant à haute énergie. Après broyage, la masse résultante a été pressée à chaud à 1173 K pendant 20 minutes par frittage plasma étincelant sous une pression axiale de 40 MPa avec une vitesse de chauffe de 50 K / min. Les échantillons en forme de disque obtenus avaient un diamètre de 12,7 mm et leur épaisseur était d'environ 2 mm. Les scientifiques ont mesuré la poussée spécifique et la thermo-EMF sur des échantillons coupés à la fois perpendiculairement et parallèlement à la direction de pressage. Cette analyse a confirmé l'isotropie des deux variantes d'échantillon (c'est-à-dire qu'elles sont identiques).


Image n ° 1

La figure 1A montre la dépendance à la température du thermo-EMF pour les six échantillons. Toutes les courbes du graphique ont une caractéristique commune: après le pic de traction des phonons dans la région de 30 K, le thermo-EMF augmente lentement à T <150 K, puis il y a un saut brusque à 150 K <T ≤ T _N , puis une augmentation progressive à 150 K <T <750 K.

Les graphiques 1B et 1C montrent des données de poussée et de conductivité thermique spécifiques qui sont utilisées pour calculer le facteur de qualité (Z _{T T} ) montré sur la figure 1D . La valeur de Z _{T T} = 1 est atteinte à un niveau de dopage de x = 0,03 et à une température de T = 850 K.

Des mesures de diffusion de neutrons ont également été effectuées pour étudier la structure magnétique de l'échantillon avec x = 0,03 en mode paramagnétique. Cette étude joue un rôle important, car un chiffre élevé de mérite est atteint précisément dans le mode paramagnétique.

Dans la phase AFM à 250 K, une diffusion de magnons est observée, émanant des pics magnétiques de Bragg * à 0,92 et 1,95 Å ^-1 . Les régions de magnons s'étendent jusqu'à une énergie maximale de ~ 30 meV.

La courbe de Bragg * est un graphique de la dépendance de la perte d'énergie des particules sur la profondeur de pénétration dans la substance.

Image n ° 2

Lorsque la température atteint un indice supérieur à ~ 350 K, une diffusion explicite des paramagnons est observée à 0,92 Å ^-1 , et la région du magnon disparaît à 30 meV. Ainsi, on peut dire que la diffusion des paramagnons est corrélée à la température en intensité et en distribution d'énergie jusqu'à 450 K ( 2B - 2D ). De plus, la diffusion des paramagnons ne dépend pas de la concentration de Li dans la plage étudiée de 0,3 à 5 at.% ( 2F et 2G ).

Les scientifiques notent un autre fait curieux: les données modifiées sur une période de 1 minute ( 2B ) présentent les mêmes caractéristiques que les données mesurées sur une période de 1 heure ( 2C et 2D ).


Image n ° 3

La concentration des porteurs de charge ( n ) a également été mesurée à partir de mesures de l'effet Hall en mode AFM (antiferromagnétique) ( 3A ). Le coefficient de Hall montre une anomalie à T _N (température de Néel), et également dans différents échantillons, il peut montrer des valeurs en mode PM (paramagnétique) qui sont différentes des valeurs en mode AFM. La concentration du support étant déterminée par le niveau de dopage de Li, qui est indépendant de la température, la concentration elle-même est également indépendante de la température à n> 6 x 10 ¹⁹ cm ^-3 .

En ce qui concerne la chaleur spécifique du magnon (C _m ), elle a été déterminée expérimentalement à partir des mesures de la chaleur spécifique totale. La chaleur spécifique ( C ) des six échantillons a la même courbe de dépendance à la température et ne montre pas de dépendance au champ jusqu'à 7 T. La figure 3B montre la chaleur spécifique d'un échantillon dopé avec 6% de Li, qui se compose de la température de Debye * , la contribution électronique à T <6 K et contribution magnétique.

La température de Debye * est la température à laquelle tous les modes de vibration d'un solide sont excités.

La partie électronique à basse température suit la diffusion thermo-EMF, la partie phonon suit la fonction Debye et la partie magnétique suit la traction magnon. Aux basses températures, la chaleur spécifique des phonons et des magnons est proportionnelle à la traction du magnon, et la chaleur spécifique des électrons est proportionnelle à la température.

Le graphique 3C montre la mobilité des charges de Hall, qui a été utilisée pour calculer le temps de diffusion des électrons ( 3D ).

En mode AFM, le thermo-EMF total ( a ) est défini comme la somme de la traction magnétique ( a _md ) et de la thermo-EMF de diffusion ( a _d ).


Image n ° 4

En mode PM, les données montrent que le thermo-EMF total a également deux composants: le thermo-EMF de diffusion et le thermo-EMF supplémentaire, indépendamment de la température jusqu'à 800 K.

Dans les graphiques ci-dessus, la diffusion thermo-EMF est représentée par une ligne pointillée à T> T _N. Ici, vous pouvez voir la confirmation que le thermo-EMF augmente avec la température en mode PM. Dans ce cas, la valeur expérimentale du thermo-EMF est très différente de la valeur calculée. Cette différence est un indicateur de la traction des magnons thermo-EMF à T _N. Cette zone de la différence sur le graphique, attribuée à la traction magnon, en mode PM s'étend, à partir de laquelle elle peut maintenant être attribuée de manière fiable à la traction paramagnon. Les observations montrent que ce phénomène reste indépendant des températures jusqu'à 800 K, mais continue d'exister jusqu'à 900 K.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Une étude des propriétés thermoélectriques du MnTe dopé au lithium a montré que le thermo-EMF magnon (théorique) calculé dans un état magnétiquement ordonné correspond bien à ce qui a été obtenu dans la pratique. Les scientifiques ont également confirmé l'existence de paramagnons en mode PM MnTe et leur contribution significative à la formation de thermo-EMF.

Un facteur Q de 1 a également été obtenu à 900 K dans un échantillon dopé avec 3% de Li. Cela montre que les paramagnons peuvent être une nouvelle étape dans l'étude des matériaux thermoélectriques hautes performances.

Ces études peuvent jouer un rôle important dans l'amélioration de la technologie de collecte de l'énergie thermique, qui peut être mise en œuvre sous la forme de conversion des gaz d'échappement des automobiles en électricité et même pour des appareils électroniques portables alimentés par la chaleur du corps humain.

Maintenant, il y a une tendance à chercher de l'énergie partout où elle peut être. Encore une fois, cela s'explique tout à fait par la situation dans laquelle l'humanité se trouve actuellement sous l'aspect de ressources limitées et d'une demande croissante de technologies écoénergétiques. Il est impossible de dire que c'est mauvais, mais beaucoup avec un scepticisme ouvert se rapportent à de telles initiatives, arguant que c'est soit inefficace soit trop tard. Cependant, comme le dit le vieil adage, il vaut mieux tard que tard.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars! :)

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