Paramagnon dan magnon: energi dari panas

Lihatlah ke sekeliling, apa yang Anda lihat? Rumah, mobil, pohon, orang, dll. Semua orang berlari di suatu tempat, semua orang sedang terburu-buru. Kota yang menyerupai sarang semut, terutama pada jam-jam sibuk, selalu penuh dengan lalu lintas. Dan gambar yang sama diamati tidak hanya di dunia "besar", tetapi juga di tingkat atom, di mana partikel yang tak terhitung bergerak ke satu sama lain, bertabrakan, bergerak menjauh dan lagi-lagi menemukan pasangan baru untuk tarian mereka yang luar biasa kompleks dan terkadang sangat pendek. Mengesampingkan berlebihan dan puisi, kita akan berbicara hari ini tentang studi di mana tim ilmuwan internasional dari Universitas North Carolina, Laboratorium Nasional Oak Ridge, Universitas Negeri Ohio dan Akademi Ilmu Pengetahuan Cina membuktikan bahwa paramagnon dapat mengubah perbedaan suhu menjadi tegangan listrik. Apa paramagnon itu, apa ciri uniknya, bagaimana para ilmuwan menyadari "generator" mereka yang tidak biasa dan seberapa efektif itu? Kami belajar tentang ini dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Basis teoretis

Untuk memulainya, kita harus berurusan dengan paramagnon yang tidak jelas ini, dengan apa mereka dan apa yang mereka makan. Dan untuk ini, Anda perlu memahami apa kakak mereka - magnon.

Magnon adalah partikel semu yang sesuai dengan eksitasi elementer pada saat interaksi putaran (momentum sudut intrinsik partikel elementer, tidak terkait dengan pergerakan partikel di ruang angkasa).

Dalam padatan dengan ion magnetik, gangguan putaran termal dapat berbaris satu sama lain (ferromagnet atau antiferromagnet), atau tidak berbaris (paramagnet), mis. Dipesan atau tidak dipesan.

Dalam paramagnet, putaran tampaknya kacau, tidak seperti feromagnet / antiferromagnet, tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Bahkan, mereka membentuk struktur interaksi jangka pendek jangka pendek yang disusun secara lokal - paramagnon, yang ada untuk waktu yang sangat, sangat singkat (sepersejuta detik, atau bahkan kurang). Dalam hal distribusi, paramagnon hanya menjangkau beberapa atom (2 hingga 4).

Sederhananya, aktivitas paramagnon menyerupai realisasi fisik dari slogan "hidup cepat, mati muda" (hidup cepat, mati muda), dari mana minat sebelumnya pada mereka tidak begitu besar. Tetapi dalam pekerjaan yang kami pertimbangkan saat ini, para ilmuwan telah menunjukkan bahwa bahkan paramagnon dapat bergerak dengan perbedaan suhu dan membawa mereka beberapa elektron bebas, menghasilkan ggl termal * .

Efek termoelektrik * ( efek termo-EMF / Seebeck) - fenomena penampilan gaya gerak listrik pada ujung konduktor heterogen yang terhubung seri, kontak di antaranya berada pada suhu yang berbeda.

Fenomena yang tidak biasa ini disebut "drag paramagnon" (drag paramagnon), yang dengan sempurna menggambarkan kemampuan paramagnon untuk "menarik" elektron di belakangnya.

Para ilmuwan telah dapat menunjukkan dalam prakteknya bahwa traksi paramagnon dalam manganese telluride (MnTe) meluas ke suhu yang sangat tinggi dan menghasilkan termo-emf, yang jauh lebih kuat daripada yang bisa dicapai oleh muatan listrik unsur secara eksklusif.

Lebih tepatnya, para ilmuwan telah menemukan bahwa fluktuasi lokal dari magnetisasi termal dalam telluride mangan lithium-doped (MnTe) sangat meningkatkan thermo-emf pada suhu hingga 900 K. Di bawah suhu Néel (T _N ~ 307 K), telluride mangan adalah antiferromagnetik.

Temperatur Nel * (Titik Nel, T _N ) adalah analog dari titik Curie, tetapi untuk antiferromagnet. Setelah mencapai titik Néel, sebuah antiferromagnet kehilangan sifat magnetiknya dan berubah menjadi paramagnet.

Dorongan Magnon tetap dalam keadaan paramagnetik hingga> 3 x T _N karena fluktuasi jangka panjang seperti antiferromagnet (paramagnon) jangka panjang yang ada dalam keadaan paramagnetik, yang dikonfirmasi oleh spektroskopi neutron. Dalam hal ini, masa pakai paramagnon lebih panjang dari waktu interaksi pembawa muatan dan magnon, panjang korelasi spasial spin-spin lebih panjang dari radius Bohr * dan panjang gelombang de Broglie * untuk operator bebas.

Jari-jari Bohr * adalah jari-jari orbit elektron atom hidrogen yang paling dekat dengan nukleus dalam model atom, di mana elektron bergerak dalam orbit melingkar di sekitar nukleus.

Panjang gelombang De Broglie * adalah panjang gelombang yang menentukan kepadatan probabilitas untuk mendeteksi suatu objek pada titik tertentu dalam ruang konfigurasi. Panjang gelombang de Broglie berbanding terbalik dengan momentum partikel.

Akibatnya, untuk memindahkan muatan pembawa, paramagnon terlihat seperti magnon dan memberikan thermo-EMF dari traksi paramagnon.

Dalam karya ini, para ilmuwan menggunakan, seperti yang kita sudah tahu, MnTe yang didoping lithium, serta semikonduktor tipe-p antiferromagnetik (AFM) dengan suhu pemesanan T _N ~ 307 K, suhu Curie-Weiss T _C ~ −585 K dan celah pita Eg ~ 1.2 eV . Konsentrasi lubang (pembawa muatan positif) disetel (2,5 × 10 ¹⁹ <n <2 × 10 ²¹ cm ⁻³ ) dengan mengubah konsentrasi litium (Li). Paramagnon ditentukan dengan spektroskopi neutron, dan masa hidup mereka (tL = ~ 3 x 10 ^-14 s) diukur hingga suhu 450 K.

Hasil penelitian

Enam sampel polikristalin Li _x Mn _1-x Te dengan tingkat doping x = 0,003, 0,01, 0,02, 0,03, 0,04, dan 0,06 disiapkan untuk analisis. Konsentrasi lubang untuk sampel adalah 5,5 x 10 ¹⁹ , 15 x 10 ¹⁹ , 29 x 10 ¹⁹ , 45 x 10 ¹⁹ , 35 x 10 ¹⁹ dan 100 x 10 ¹⁹ cm ^-3, masing-masing.

Sampel diperoleh dengan menggiling elemen-elemen awal selama 8 jam dalam bejana yang mengandung argon yang terbuat dari stainless steel dengan menggunakan ball mill getaran energi tinggi. Setelah digiling, massa yang dihasilkan ditekan panas pada 1173 K selama 20 menit dengan sintering plasma spark di bawah tekanan aksial 40 MPa dengan laju pemanasan 50 K / menit. Sampel berbentuk cakram yang diperoleh memiliki diameter 12,7 mm, dan ketebalannya ~ 2 mm. Para ilmuwan telah mengukur gaya dorong dan termo-EMF tertentu pada sampel yang dipotong tegak lurus dan sejajar dengan arah penekanan. Analisis ini mengkonfirmasi isotropi dari kedua varian sampel (yaitu, mereka sama).


Gambar No. 1

Gambar 1A menunjukkan ketergantungan suhu thermo-EMF untuk semua enam sampel. Semua kurva pada grafik memiliki fitur yang sama: setelah puncak traksi fonon di wilayah 30 K, thermo-EMF perlahan-lahan meningkat pada T <150 K, kemudian lompatan tajam mengikuti pada 150 K <T ≤ T _N , dan kemudian peningkatan bertahap pada 150 K <T <750 K.

Grafik 1B dan 1C menunjukkan data gaya dorong dan konduktivitas termal yang digunakan untuk menghitung faktor kualitas (ZT) yang ditunjukkan pada Gambar 1D . Nilai ZTT = 1 dicapai pada tingkat doping x = 0,03 dan suhu T = 850 K.

Pengukuran hamburan neutron juga dilakukan untuk mempelajari struktur magnetik sampel dengan x = 0,03 dalam mode paramagnetik. Studi ini memainkan peran penting, karena angka prestasi tinggi dicapai tepat dalam mode paramagnetik.

Dalam fase AFM pada 250 K, hamburan magnet diamati, berasal dari puncak Bragg magnetik * pada 0,92 dan 1,95 Å ⁻¹ . Wilayah magnon berkembang hingga energi maksimum ~ 30 meV.

Kurva Bragg * adalah grafik dari ketergantungan hilangnya energi partikel pada kedalaman penetrasi ke dalam zat.

Gambar No. 2

Ketika suhu mencapai indeks di atas ~ 350 K, hamburan paramagnon secara eksplisit diamati pada 0,92 Å ⁻¹ , dan wilayah magnon menghilang pada 30 meV. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa hamburan paramagnon berkorelasi dengan suhu dalam intensitas dan distribusi energi hingga 450 K ( 2B - 2D ). Selain itu, hamburan paramagnon tidak tergantung pada konsentrasi Li dalam kisaran yang dipelajari dari 0,3 hingga 5%, ( 2F dan 2G ).

Para ilmuwan mencatat fakta aneh lainnya: data berubah selama periode 1 menit ( 2B ) menunjukkan fitur yang sama dengan data yang diukur selama periode 1 jam ( 2C dan 2D ).


Gambar No. 3

Konsentrasi pembawa muatan ( n ) juga diukur dari pengukuran efek Hall dalam mode AFM (antiferromagnetik) ( 3A ). Koefisien Hall menunjukkan anomali pada T _N (suhu Nel), dan juga dalam sampel yang berbeda dapat menunjukkan nilai dalam mode PM (paramagnetik) yang berbeda dari nilai dalam mode AFM. Karena konsentrasi pembawa ditentukan oleh tingkat doping Li, yang tidak tergantung suhu, konsentrasi itu sendiri juga tidak tergantung pada suhu pada n> 6 x 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

Mengenai panas spesifik dari magnon (Cm), ditentukan secara eksperimental dari pengukuran total panas spesifik. Panas spesifik ( C ) dari semua enam sampel memiliki kurva ketergantungan suhu yang sama dan tidak menunjukkan ketergantungan lapangan hingga 7 T. Gambar 3B menunjukkan panas spesifik sampel yang didoping dengan 6% Li, yang terdiri dari suhu Debye * , kontribusi elektronik pada T <6 K dan kontribusi magnetik.

Suhu debye * adalah suhu di mana semua mode getaran dalam padatan bersemangat.

Bagian elektronik pada suhu rendah mengikuti difusi thermo-EMF, bagian fonon mengikuti fungsi Debye, dan bagian magnetik mengikuti traksi magnon. Pada suhu rendah, panas spesifik fonon dan magnon sebanding dengan traksi magnon, dan panas spesifik elektron sebanding dengan temperatur.

Grafik 3C menunjukkan mobilitas muatan Hall, yang digunakan untuk menghitung waktu hamburan elektron ( 3D ).

Dalam mode AFM, termo-EMF total ( a ) didefinisikan sebagai jumlah traksi magnon ( a _md ) dan difusi thermo-EMF ( a _d ).


Gambar No. 4

Dalam mode PM, data menunjukkan bahwa total thermo-EMF juga memiliki dua komponen: difusi thermo-EMF dan tambahan thermo-EMF, tidak tergantung suhu hingga 800 K.

Dalam grafik di atas, difusi thermo-EMF diwakili oleh garis putus-putus di T> T _N. Di sini Anda dapat melihat konfirmasi bahwa thermo-EMF meningkat dengan suhu dalam mode PM. Dalam hal ini, nilai eksperimental thermo-EMF sangat berbeda dari nilai yang dihitung. Perbedaan ini merupakan indikator traksi magnon termo-EMF di T _N. Area perbedaan pada grafik ini, yang dikaitkan dengan traksi magnon, dalam mode PM meluas, yang darinya sekarang dapat secara andal dikaitkan dengan traksi paramagnon. Pengamatan menunjukkan bahwa fenomena ini tetap independen dari suhu hingga 800 K, tetapi terus ada hingga 900 K.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Sebuah studi tentang sifat-sifat termoelektrik dari MnTe yang di-litium-lithium menunjukkan bahwa magno-EMF magno-EMF yang dihitung (secara teoritis) dalam keadaan tertata secara magnetis sesuai dengan apa yang telah diperoleh dalam praktik. Para ilmuwan juga mengkonfirmasi keberadaan paramagnon dalam mode PM MnTe dan kontribusi signifikan mereka terhadap pembentukan thermo-EMF.

Faktor Q 1 juga diperoleh pada 900 K dalam sampel yang didoping dengan Li 3%. Ini menunjukkan bahwa paramagnon dapat menjadi babak baru dalam studi bahan termoelektrik berkinerja tinggi.

Studi tersebut dapat memainkan peran penting dalam meningkatkan teknologi pengumpulan energi panas, yang dapat diimplementasikan dalam bentuk konversi gas buang mobil menjadi listrik dan bahkan untuk elektronik yang dapat dipakai yang ditenagai oleh panas tubuh manusia.

Sekarang ada kecenderungan untuk mencari energi di mana pun ia bisa. Sekali lagi, ini cukup dapat dijelaskan oleh situasi di mana umat manusia sekarang berada dalam aspek sumber daya yang terbatas dan meningkatnya permintaan akan teknologi yang hemat energi. Mustahil untuk mengatakan bahwa ini buruk, tetapi banyak orang dengan skeptisisme terbuka berhubungan dengan inisiatif semacam itu, dengan alasan bahwa itu tidak efektif atau terlambat. Namun, seperti pepatah lama, terlambat lebih baik daripada tidak sama sekali.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap penasaran, dan selamat bekerja, kawan! :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?