पैरामैग्नन्स और मैग्नेन्स: ऊष्मा से ऊर्जा

चारों ओर एक नज़र डालें, आप क्या देखते हैं? मकान, कार, पेड़, लोग, आदि। हर कोई कहीं न कहीं भाग रहा है, हर कोई जल्दी में है। एक एंथिल जैसा दिखने वाला शहर, विशेष रूप से भीड़ के समय, हमेशा यातायात से भरा होता है। और एक ही तस्वीर न केवल "बड़े" दुनिया में, बल्कि परमाणु स्तर पर भी देखी जाती है, जहां असंख्य कण एक-दूसरे की ओर बढ़ते हैं, टकराते हैं, दूर जाते हैं और फिर से अपने अविश्वसनीय रूप से जटिल और कभी-कभी इतने छोटे नृत्य के लिए एक नया साथी पाते हैं। अतिशयोक्ति और कविता को अलग रखते हुए, हम आज एक अध्ययन के बारे में बात करेंगे जिसमें उत्तरी कैरोलिना विश्वविद्यालय, ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी, ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी और चीनी विज्ञान अकादमी के वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने साबित किया कि पैरामैग्नॉन विद्युत वोल्टेज में अंतर को परिवर्तित कर सकते हैं। सर्वोपरि क्या हैं, उनकी अनूठी विशेषता क्या है, वैज्ञानिकों ने उनके असामान्य "जनरेटर" को कैसे महसूस किया और यह कितना प्रभावी है? हम इस बारे में अनुसंधान समूह की रिपोर्ट से सीखते हैं। चलो चलते हैं।

सैद्धांतिक आधार

शुरू करने के लिए, हमें इन अस्पष्ट सर्वोपरिताओं से निपटना चाहिए, वे क्या हैं और वे क्या खाते हैं। और इसके लिए आपको यह समझने की जरूरत है कि उनके बड़े भाई क्या हैं - मैगन।

मैग्नॉन एक क्यूसिपर्टिकल है जो स्पिन इंटरैक्शन (प्रारंभिक कणों के आंतरिक कोणीय गति, अंतरिक्ष में कण की गति से संबंधित नहीं) के समय प्राथमिक उत्तेजना से मेल खाती है।

चुंबकीय आयनों के साथ ठोस पदार्थों में, थर्मल स्पिन गड़बड़ी या तो एक दूसरे के साथ लाइन कर सकते हैं (फेरोमैग्नेट्स या एंटीफेरोमैग्नेट्स) या लाइन अप (पैरामैग्नेट्स) नहीं, अर्थात्। आदेश दिया या नहीं दिया।

पैरामैग्नेट्स में, फेरोमैग्नेट्स / एंटीफेरोमैग्नेट्स के विपरीत, स्पान अव्यवस्थित लगते हैं, लेकिन यह पूरी तरह सच नहीं है। वास्तव में, वे लघु-अवधि का निर्माण करते हैं, स्थानीय रूप से ऑर्डर किए गए शॉर्ट-रेंज इंटरैक्शन की संरचनाएं - पैरामैगन्सन, जो बहुत कम समय के लिए मौजूद हैं (एक सेकंड का अरबवां, या इससे भी कम)। वितरण के संदर्भ में, पैरामैग्नन्स केवल कुछ परमाणुओं (2 से 4) तक फैला है।

सीधे शब्दों में कहें, तो पैरामैगन्स की गतिविधि "जीवन तेजी से, युवा मरो" (जल्दी जियो, युवा मरो) के नारे के भौतिक अहसास से मिलती जुलती है, जिसमें से उनमें पहले की दिलचस्पी इतनी महान नहीं थी। लेकिन आज हम जिस काम पर विचार कर रहे हैं, उसमें वैज्ञानिकों ने दिखाया है कि यहां तक ​​कि पैरामैग्नन तापमान अंतर के साथ आगे बढ़ने में सक्षम होते हैं और अपने साथ कुछ मुक्त इलेक्ट्रॉनों को ले जाते हैं, जो थर्मल ईएमएफ पैदा करते हैं।

थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव * (थर्मो-ईएमएफ / सीबेक प्रभाव) - श्रृंखला से जुड़े विषम कंडक्टरों के सिरों पर एक इलेक्ट्रोमोटिव बल की उपस्थिति की घटना, जिनके बीच संपर्क अलग-अलग तापमान पर हैं।

इस असामान्य घटना को "पैरामैग्नन ड्रैग" (पैरामैगन ड्रैग) कहा जाता था, जो कि पैरामैग्नन्स की क्षमता को उनके पीछे के इलेक्ट्रॉनों को "खींचने" की पूरी तरह से वर्णन करता है।

वैज्ञानिकों ने अभ्यास में यह दिखाने में सक्षम किया है कि मैंगनीज टेलुराइड (MnTe) में पैरामैगोन का कर्षण बहुत अधिक तापमान तक फैलता है और थर्मो-ईएमएफ उत्पन्न करता है, जो विशेष रूप से तापीय विद्युत आवेशों की तुलना में बहुत मजबूत है।

अधिक सटीक रूप से, वैज्ञानिकों ने पाया है कि लिथियम-डॉप्ड मैंगनीज टेलुराइड (MnTe) में थर्मल मैग्नेटाइजेशन के स्थानीय उतार-चढ़ाव से तापमान में थर्मामीटरों की संख्या 900 K. के नीचे बढ़ जाती है। नीचे का तापमान (T ~ 307 K), मैंगनीज टेलूराइड एंटीफिरोमैग्नेटिक है।

नील का तापमान * (Néel point, T _N ) क्यूरी बिंदु का एक एनालॉग है, लेकिन एक एंटीफ़िरोमैग्नेट के लिए। नेएल बिंदु पर पहुंचने पर, एक एंटीफिरोमैग्नेट अपने चुंबकीय गुणों को खो देता है और एक पैरामैग्नेट में बदल जाता है।

मैग्नॉन थ्रस्ट पैरामैग्नेटिक अवस्था में> 3 x T _N तक रहता है, जो कि लंबे समय तक अल्पकालिक एंटीफिरोमैग्नेट-जैसे उतार-चढ़ाव (पैरामैग्नॉन) के कारण होता है, जो पैरामैग्नेटिक अवस्था में मौजूद होता है, जिसकी पुष्टि न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी से की गई थी। इसके अलावा, पैरामैगन जीवनकाल चार्ज वाहक और मैग्ने के संपर्क समय से अधिक है, इसके स्पिन-स्पिन स्थानिक सहसंबंध की लंबाई बोह त्रिज्या * और डी ब्रोगली तरंग दैर्ध्य * से मुक्त वाहक के लिए अधिक लंबी है।

बोहर त्रिज्या * परमाणु मॉडल के नाभिक के निकटतम हाइड्रोजन परमाणु के इलेक्ट्रॉन की कक्षा का त्रिज्या है, जहां इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर वृत्ताकार कक्षाओं में चलते हैं।

डी ब्रोगली वेवलेंथ * वेवलेंथ है जो कॉन्फ़िगरेशन स्पेस में दिए गए बिंदु पर किसी ऑब्जेक्ट का पता लगाने की संभावना घनत्व निर्धारित करता है। डी ब्रोगली वेवलेंथ कण की गति के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

नतीजतन, चार्जिंग कैरियर्स के लिए, पैरामैगनॉन मैग्नेट की तरह दिखते हैं और पैरामैग्नस ट्रैक्शन के थर्मो-ईएमएफ देते हैं।

इस काम में, वैज्ञानिकों ने इस्तेमाल किया, जैसा कि हम पहले से ही जानते हैं, लिथियम-डॉप्ड एमएनटी, साथ ही एक एंटीफिरोमैग्नेटिक (एएफएम) पी-टाइप सेमीकंडक्टर एक ऑर्डरिंग तापमान टी _एन ~ 307 के के साथ, क्यूरी-वीसेंट टी _सी ~ −585 K और एक बैंड गैप Eg ~ 1.2 eV । लिथियम (ली) की एकाग्रता को बदलकर छेद की एकाग्रता (पॉजिटिव चार्ज कैरियर) को ट्यून किया जाता है (2.5 × 10 ¹⁹ <n <2 × 10 ²¹ सेमी ) ³ )। पैरामैग्नोन को न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा निर्धारित किया गया था, और उनके जीवनकाल (t _L = ~ 3 x 10 ^-14 s) को 450 K के तापमान तक मापा गया था।

अनुसंधान के परिणाम

डोपिंग के स्तर x = 0.003, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, और 0.06 के साथ छह पॉलीक्रिस्टलाइन ली _x Mn _1-x नमूने विश्लेषण के लिए तैयार किए गए थे। नमूनों के लिए छेद एकाग्रता क्रमशः 5.5 x 10 ¹⁹ , 15 x 10 ¹⁹ , 29 x 10 ¹⁹ , 45 x 10 ¹⁹ , 35 x 10 ¹⁹ और 100 x 10 ¹⁹ सेमी ^-3 थी।

एक उच्च-ऊर्जा थरथानेवाला बॉल मिल का उपयोग करके स्टेनलेस स्टील से बने आर्गन युक्त बर्तन में 8 घंटे के लिए शुरुआती तत्वों को पीसकर नमूने प्राप्त किए गए थे। पीसने के बाद, परिणामस्वरूप द्रव्यमान को 5073 / मिनट की हीटिंग दर के साथ 40 MPa के अक्षीय दबाव के तहत स्पार्क प्लाज्मा sintering द्वारा 1173 K पर 20 मिनट के लिए गर्म दबाया गया था। प्राप्त डिस्क के आकार के नमूनों का व्यास 12.7 मिमी था, और उनकी मोटाई ~ 2 मिमी थी। वैज्ञानिकों ने विशिष्ट थ्रस्ट और थर्मो-ईएमएफ को नमूनों पर मापा है जो दोनों लंबवत रूप से काटते हैं और दबाने की दिशा में समानांतर होते हैं। इस विश्लेषण ने दोनों नमूना वेरिएंट (यानी, वे समान हैं) के समरूपता की पुष्टि की।


चित्र संख्या 1

चित्रा 1 ए सभी छह नमूनों के लिए थर्मो-ईएमएफ की तापमान निर्भरता को दर्शाता है। ग्राफ पर सभी वक्रों की एक सामान्य विशेषता है: 30 K के क्षेत्र में फोनन कर्षण के चरम के बाद, थर्मो-ईएमएफ धीरे-धीरे टी <150 K पर बढ़ता है, फिर 150 K <T _N T _N पर तेज उछाल होता है, और फिर धीरे-धीरे 150 K पर वृद्धि होती है। <टी <750 के।

रेखांकन 1B और 1C विशिष्ट थ्रस्ट और थर्मल चालकता डेटा दिखाते हैं जो कि चित्र 1D में दिखाए गए गुणवत्ता कारक (Z _{T T} ) की गणना करने के लिए उपयोग किया जाता है। Z _{T T} = 1 का मान x = 0.03 के डोपिंग स्तर और T = 850 K के तापमान पर प्राप्त किया जाता है।

पैरामैग्नेटिक मोड में x = 0.03 के साथ नमूने की चुंबकीय संरचना का अध्ययन करने के लिए न्यूट्रॉन बिखरने वाले माप भी किए गए थे। यह अध्ययन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि योग्यता का एक उच्च आंकड़ा पैरामैग्नेटिक मोड में सटीक रूप से प्राप्त किया जाता है।

250 K पर AFM चरण में, मैग्नेट के बिखरने को मनाया जाता है, चुंबकीय ब्रैग चोटियों से 0.92 और 1.95 Å .1 पर निकलता है। मैग्नॉन क्षेत्र ~ 30 meV की अधिकतम ऊर्जा तक विस्तारित होता है।

ब्रैग वक्र * पदार्थ में प्रवेश गहराई पर कण ऊर्जा के नुकसान की निर्भरता का एक ग्राफ है।

चित्र संख्या 2

जब तापमान ~ 350 K के ऊपर एक सूचकांक तक पहुँच जाता है, तो 0.92 the magn1 पर पैरामैगन्स का स्पष्ट प्रकीर्णन देखा जाता है, और मैग्नॉन क्षेत्र 30 meV पर गायब हो जाता है। इस प्रकार, यह कहा जा सकता है कि पैरामैग्नोन बिखरने का तापमान 450 K ( 2B / 2D ) तक की तीव्रता और ऊर्जा वितरण में तापमान के साथ है। इसके अलावा, पैरामैगोन स्कैटरिंग 0.3 से 5 बजे तक% ( 2F और 2G ) के अध्ययन की सीमा में ली एकाग्रता पर निर्भर नहीं करता है।

वैज्ञानिक एक और जिज्ञासु तथ्य पर ध्यान देते हैं: 1 मिनट ( 2 बी ) की अवधि में परिवर्तित डेटा 1 घंटे ( 2 सी और 2 डी ) की अवधि में मापा गया डेटा के समान विशेषताएं दिखाते हैं।


चित्र संख्या 3

चार्ज वाहक ( एन ) की सांद्रता को AFM (एंटीफेरोमैग्नेटिक) मोड ( 3 डी ) में हॉल प्रभाव के माप से भी मापा गया था। हॉल गुणांक टी _एन (एनईएल तापमान) पर एक विसंगति दिखाता है, और विभिन्न नमूनों में भी यह पीएम (पैरामैग्नेटिक) मोड में मान दिखा सकता है जो एएफएम मोड में मूल्यों से अलग हैं। चूंकि वाहक एकाग्रता ली के डोपिंग स्तर से निर्धारित होती है, जो तापमान स्वतंत्र है, एकाग्रता भी n> 6 x 10 ¹⁹ सेमी ^{−3 के} लिए स्वतंत्र तापमान है।

मैग्नॉन (सी _एम ) की विशिष्ट गर्मी के बारे में, यह कुल विशिष्ट गर्मी के माप से प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित किया गया था। सभी छह नमूनों की विशिष्ट ताप क्षमता ( C ) में एक ही तापमान निर्भरता वक्र है और 7 T तक की क्षेत्र निर्भरता नहीं दिखाता है। चित्र 3B में 6% Li के साथ डोप किए गए नमूने की विशिष्ट गर्मी क्षमता दिखाई देती है, जिसमें Debyc तापमान * होता है , T <6 पर इलेक्ट्रॉनिक योगदान। K और चुंबकीय योगदान।

डेबी तापमान * वह तापमान है जिस पर ठोस में सभी कंपन मोड उत्तेजित होते हैं।

कम तापमान पर इलेक्ट्रॉनिक हिस्सा डिफ्यूजन थर्मो-ईएमएफ का अनुसरण करता है, फोनन भाग डेबी फ़ंक्शन का अनुसरण करता है, और चुंबकीय भाग मैग्नॉन ट्रैक्शन का अनुसरण करता है। कम तापमान पर, फ़ोनों और मैग्नों दोनों की विशिष्ट गर्मी, मैग्नॉन कर्षण के अनुपात में होती है, और इलेक्ट्रॉनों की विशिष्ट गर्मी तापमान के लिए आनुपातिक होती है।

ग्राफ 3 सी हॉल चार्ज गतिशीलता को दर्शाता है, जिसका उपयोग इलेक्ट्रॉन बिखरने के समय ( 3 डी ) की गणना करने के लिए किया गया था।

एएफएम मोड में, कुल थर्मो-ईएमएफ ( ए ) को मैग्नेट कर्षण ( एक _एमडी ) और प्रसार थर्मो-ईएमएफ ( एक _डी ) के योग के रूप में परिभाषित किया गया है।


चित्र संख्या 4

पीएम मोड में, डेटा दिखाते हैं कि कुल थर्मो-ईएमएफ में भी दो घटक होते हैं: प्रसार थर्मो-ईएमएफ और अतिरिक्त थर्मो-ईएमएफ, 800 K तक के तापमान से स्वतंत्र।

ऊपर के ग्राफ़ में, प्रसार थर्मो-ईएमएफ को T> T _N पर एक धराशायी रेखा द्वारा दर्शाया गया है _। यहां आप पुष्टि कर सकते हैं कि थर्मो-ईएमएफ पीएम मोड में तापमान के साथ बढ़ता है। इस मामले में, थर्मो-ईएमएफ का प्रयोगात्मक मूल्य गणना मूल्य से बहुत अलग है। यह अंतर टी _एन में थर्मो-ईएमएफ मैग्नन ट्रैक्शन का सूचक है _। ग्राफ पर अंतर का यह क्षेत्र, जो पीएम मोड में मैग्नीन कर्षण के लिए जिम्मेदार है, का विस्तार होता है, जहां से अब इसे पैरामैगन ट्रैक्शन के लिए मज़बूती से जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। अवलोकन बताते हैं कि यह घटना 800 K तक के तापमान से स्वतंत्र है, लेकिन 900 K तक मौजूद है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

लिथियम-डॉप्ड एमएनटीटी के थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों के एक अध्ययन से पता चला है कि गणना की गई (सैद्धांतिक) मैग्नेट थर्मो-ईएमएफ एक चुंबकीय रूप से आदेशित राज्य से सहमत है जो व्यवहार में प्राप्त हुआ है। वैज्ञानिकों ने पीएम मेनेटी मोड में पैरामैग्नोन के अस्तित्व और थर्मो-ईएमएफ के गठन में उनके महत्वपूर्ण योगदान की भी पुष्टि की।

3% ली के साथ एक नमूने में 900 K पर 1 का Q कारक भी प्राप्त किया गया था। इससे पता चलता है कि उच्च-प्रदर्शन वाले थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के अध्ययन में पैरामैगनन्स एक नया दौर हो सकता है।

इस तरह के अध्ययन थर्मल ऊर्जा एकत्र करने की तकनीक को बेहतर बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं, जिसे ऑटोमोबाइल निकास गैसों को बिजली में परिवर्तित करने और यहां तक ​​कि मानव शरीर की गर्मी से संचालित पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए भी लागू किया जा सकता है।

अब जहां कहीं भी ऊर्जा की तलाश करने की प्रवृत्ति है। फिर, यह उस स्थिति से काफी स्पष्ट है जिसमें मानव जाति अब सीमित संसाधनों और ऊर्जा-कुशल प्रौद्योगिकियों की बढ़ती मांग के पहलू में है। यह कहना असंभव है कि यह बुरा है, लेकिन खुले संदेह के साथ कई लोग इस तरह की पहल से संबंधित हैं, यह तर्क देते हुए कि यह या तो अप्रभावी है या बहुत देर हो चुकी है। हालाँकि, जैसा कि पुरानी कहावत है, देर करना पहले से बेहतर है।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों! :)

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