Paramagnons e magnons: energia do calor

Dê uma olhada ao redor, o que você vê? Casas, carros, árvores, pessoas, etc. Todo mundo está correndo em algum lugar, todo mundo está com pressa. Uma cidade parecida com um formigueiro, especialmente na hora do rush, está sempre cheia de tráfego. E a mesma imagem é observada não apenas no mundo "grande", mas também no nível atômico, onde inúmeras partículas se movem uma para a outra, colidem, se afastam e novamente encontram um novo parceiro para sua dança incrivelmente complexa e às vezes tão curta. Deixando de lado o exagero e a poesia, falaremos hoje sobre um estudo em que uma equipe internacional de cientistas da Universidade da Carolina do Norte, o Laboratório Nacional de Oak Ridge, a Universidade Estadual de Ohio e a Academia Chinesa de Ciências provou que os paramagnons podem converter diferenças de temperatura em voltagem elétrica. O que são paramagnons, qual é a sua característica única, como os cientistas perceberam seu incomum "gerador" e qual a sua eficácia? Aprendemos sobre isso no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base teórica

Para começar, devemos lidar com esses paramagnônios obscuros, o que são e com o que comem. E para isso você precisa entender quais são os irmãos mais velhos - os magnões.

Magnon é uma quase partícula que corresponde à excitação elementar no momento da interação do spin (momento angular intrínseco das partículas elementares, não relacionado ao movimento da partícula no espaço).

Em sólidos com íons magnéticos, as perturbações de rotação térmica podem se alinhar (ferromagnetos ou antiferromagnetos) ou não se alinhar (paramagnetos), ou seja, Encomenda ou não.

Nos paramagnetos, os spins parecem caóticos, diferentemente dos ferromagnetos / antiferromagnéticos, mas isso não é inteiramente verdade. De fato, eles formam estruturas de curto prazo, localmente ordenadas, de interação de curto alcance - paramagnons, que existem por um tempo muito, muito curto (bilionésimos de segundo, ou até menos). Em termos de distribuição, os paramagnons abrangem apenas alguns átomos (2 a 4).

Simplificando, a atividade dos paramagnons se assemelha à realização física do slogan “viva rápido, morra jovem” (viva rápido, morra jovem), do qual o interesse anterior por eles não era tão grande. Mas, no trabalho que estamos considerando hoje, os cientistas mostraram que até os paramagnons são capazes de se mover com uma diferença de temperatura e levar com eles alguns elétrons livres, gerando calor térmico * .

Efeito termoelétrico * ( efeito termo-EMF / Seebeck) - o fenômeno do aparecimento de uma força eletromotriz nas extremidades de condutores heterogêneos conectados em série, cujos contatos estão em temperaturas diferentes.

Esse fenômeno incomum foi chamado de "paramagnon drag" (paramagnon drag), que descreve perfeitamente a capacidade dos paramagnons de "puxar" elétrons por trás deles.

Os cientistas conseguiram mostrar na prática que a tração paramagnon no telureto de manganês (MnTe) se estende a temperaturas muito altas e gera termoemperatura, que é muito mais forte do que as cargas elétricas exclusivamente elementares poderiam alcançar.

Mais precisamente, os cientistas descobriram que as flutuações locais da magnetização térmica no telureto de manganês dopado com lítio (MnTe) aumentam muito sua temperatura térmica em temperaturas de até 900 K. Abaixo da temperatura de Néel (T _N ~ 307 K), o telureto de manganês é antiferromagnético.

A temperatura Néel * (ponto Néel, TN) é um análogo do ponto Curie, mas para um antiferromagneto. Ao atingir o ponto Néel, um antiferromagnético perde suas propriedades magnéticas e se transforma em um paramagneto.

O impulso do magnão persiste no estado paramagnético até> 3 x T _N devido a flutuações de longa duração do tipo antiferromagnético (paramagnons) que existem no estado paramagnético, o que foi confirmado por espectroscopia de nêutrons. Nesse caso, o tempo de vida do paramagnon é maior que o tempo de interação do portador de carga e do magnon, seu comprimento de correlação espacial spin-spin é maior que o raio de Bohr * e o comprimento de onda de De Broglie * para portadores livres.

O raio de Bohr * é o raio da órbita do elétron do átomo de hidrogênio mais próximo do núcleo no modelo de átomo, onde os elétrons se movem em órbitas circulares ao redor do núcleo.

Comprimento de onda De Broglie * - comprimento de onda que determina a densidade de probabilidade de detectar um objeto em um determinado ponto no espaço de configuração. O comprimento de onda de De Broglie é inversamente proporcional ao momento da partícula.

Conseqüentemente, para portadores de carga em movimento, os paramagnons se parecem com magnons e fornecem a EMF térmica da tração paramagnon.

Neste trabalho, os cientistas usaram, como já sabemos, o MnTe dopado com lítio, bem como um semicondutor do tipo p antiferromagnético (AFM) com uma temperatura de pedido T _N ~ 307 K, uma temperatura Curie-Weiss T _C ~ −585 K e um intervalo de banda Eg ~ 1,2 eV . A concentração do furo (transportador de carga positiva) é ajustada (2,5 × 10 ¹⁹ <n <2 × 10 ²¹ cm ^-3 ) alterando a concentração de lítio (Li). Os paramagnons foram determinados por espectroscopia de nêutrons e sua vida útil (t _L = ~ 3 x ^10-14 s) foi medida até uma temperatura de 450 K.

Resultados da pesquisa

Seis amostras policristalinas de Li _x Mn _1-x Te com níveis de dopagem x = 0,003, 0,01, 0,02, 0,03, 0,04 e 0,06 foram preparadas para análise. A concentração de orifício para as amostras foi de 5,5 x 10 ¹⁹ , 15 x 10 ¹⁹ , 29 x 10 ¹⁹ , 45 x 10 ¹⁹ , 35 x 10 ¹⁹ e 100 x 10 ¹⁹ cm ^-3, respectivamente.

As amostras foram obtidas moendo os elementos de partida por 8 horas em um recipiente contendo argônio feito de aço inoxidável usando um moinho de bolas vibratório de alta energia. Após a moagem, a massa resultante foi prensada a quente a 1173 K por 20 minutos por plasma de faísca sinterizando sob uma pressão axial de 40 MPa com uma taxa de aquecimento de 50 K / min. As amostras em forma de disco obtidas tinham um diâmetro de 12,7 mm e sua espessura era de ~ 2 mm. Os cientistas mediram o impulso específico e o termo-EMF em amostras cortadas perpendicularmente e paralelamente à direção da prensagem. Esta análise confirmou a isotropia de ambas as variantes da amostra (ou seja, são iguais).


Imagem Nº 1

A Figura 1A mostra a dependência da temperatura do termo-EMF para todas as seis amostras. Todas as curvas no gráfico têm uma característica em comum: após o pico de tração dos fônons na região de 30 K, o termo-EMF aumenta lentamente em T <150 K, então há um salto acentuado em 150 K <T ≤ T _N e depois um aumento gradual em 150 K <T <750 K.

Os gráficos 1B e 1C mostram dados específicos de empuxo e condutividade térmica que são usados ​​para calcular o fator de qualidade (ZT _T ) mostrado na Figura 1D . O valor de ZTT = 1 é alcançado em um nível de dopagem de x = 0,03 e uma temperatura de T = 850 K.

Medidas de espalhamento de nêutrons também foram realizadas para estudar a estrutura magnética da amostra com x = 0,03 no modo paramagnético. Este estudo desempenha um papel importante, uma vez que uma alta figura de mérito é alcançada precisamente no modo paramagnético.

Na fase AFM a 250 K, observa-se a dispersão de magnons, emanando dos picos magnéticos de Bragg * em 0,92 e 1,95 Å ⁻¹ . As regiões de magnons se expandem para uma energia máxima de ~ 30 meV.

A curva de Bragg * é um gráfico da dependência da perda de energia das partículas na profundidade de penetração na substância.

Imagem No. 2

Quando a temperatura atinge um índice acima de ~ 350 K, a dispersão explícita de paramagnons é observada a 0,92 Å ⁻¹ , e a região do magnon desaparece a 30 meV. Assim, pode-se dizer que o espalhamento de paramagons se correlaciona com a temperatura em intensidade e distribuição de energia de até 450 K ( 2B - 2D ). Além disso, a dispersão de paramagons não depende da concentração de Li na faixa estudada de 0,3 a 5 a% ( 2F e 2G ).

Os cientistas observam outro fato curioso: os dados alterados durante um período de 1 minuto ( 2B ) mostram os mesmos recursos que os dados medidos durante um período de 1 hora ( 2C e 2D ).


Imagem No. 3

A concentração de portadores de carga ( n ) também foi medida a partir de medições do efeito Hall no modo AFM (antiferromagnético) ( 3A ). O coeficiente de Hall mostra uma anomalia na T _N (temperatura de Néel) e também em amostras diferentes, pode mostrar valores no modo PM (paramagnético) que são diferentes dos valores no modo AFM. Como a concentração do transportador é determinada pelo nível de doping de Li, que é independente da temperatura, a concentração em si também é independente da temperatura em n> 6 x 10 ¹⁹ cm ⁻³ .

Em relação ao calor específico do magnon (C _m ), foi determinado experimentalmente a partir de medidas do calor específico total. O calor específico ( C ) de todas as seis amostras tem a mesma curva de dependência de temperatura e não mostra uma dependência de campo de até 7 T. A Figura 3B mostra o calor específico de uma amostra dopada com 6% de Li, que consiste na temperatura de Debye * , a contribuição eletrônica em T <6 K e contribuição magnética.

Debye temperature * é a temperatura na qual todos os modos de vibração em um sólido são excitados.

A parte eletrônica a baixa temperatura segue a difusão termo-EMF, a parte fonon segue a função Debye e a parte magnética segue a tração magnon. Em baixas temperaturas, o calor específico dos fônons e dos magnons é proporcional à tração do magnon, e o calor específico dos elétrons é proporcional à temperatura.

O gráfico 3C mostra a mobilidade da carga de Hall, que foi usada para calcular o tempo de espalhamento de elétrons ( 3D ).

No modo AFM, o termo-EMF total ( a ) é definido como a soma da tração do magnon ( um _md ) e do termo-EMF de difusão ( a _d ).


Imagem No. 4

No modo PM, os dados mostram que o termo-EMF total também possui dois componentes: termo-EMF de difusão e termo-EMF adicional, independentemente da temperatura de até 800 K.

Nos gráficos acima, a termo-EMF de difusão é representada por uma linha tracejada em T> T _N. Aqui você pode ver a confirmação de que o termo-EMF aumenta com a temperatura no modo PM. Nesse caso, o valor experimental do termo-EMF é muito diferente do valor calculado. Essa diferença é um indicador da tração do magnon termo-EMF em T. Essa área da diferença no gráfico, atribuída à tração de magnons, no modo PM se expande, da qual agora pode ser atribuída de forma confiável à tração de paramagnon. Observações mostram que esse fenômeno permanece independente de temperaturas de até 800 K, mas continua a existir até 900 K.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Um estudo das propriedades termoelétricas do MnTe dopado com lítio mostrou que o termo-EMF magnético calculado (teórico) em um estado ordenado magneticamente concorda bem com o que foi obtido na prática. Os cientistas também confirmaram a existência de paramagnons no modo PM MnTe e sua contribuição significativa para a formação de termo-EMF.

Também foi obtido um fator Q de 1 a 900 K em uma amostra dopada com 3% de Li. Isso mostra que os paramagnons podem ser uma nova rodada no estudo de materiais termoelétricos de alto desempenho.

Tais estudos podem desempenhar um papel importante no aprimoramento da tecnologia de coleta de energia térmica, que pode ser implementada na forma de converter gases de escape de automóveis em eletricidade e até mesmo em eletrônicos portáteis alimentados pelo calor do corpo humano.

Agora há uma tendência de buscar energia onde quer que esteja. Novamente, isso é bastante explicável pela situação em que a humanidade está agora no aspecto de recursos limitados e crescente demanda por tecnologias de eficiência energética. É impossível dizer que isso é ruim, mas muitos com ceticismo aberto se relacionam com essas iniciativas, argumentando que é ineficaz ou tarde demais. No entanto, como diz o velho ditado, tarde é melhor do que nunca.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal! :)

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