科学家首次观察到磁振子拖曳
据美国物理学家组织网12月19日报道,西班牙卡特兰纳米技术研究院研究人员称,他们在一项最新发现中首次观察到了磁振子拖曳。这一发现结束了科学家50年来追寻独立热电效应的历程,对研究能量转化应用、开发自旋信息传输新途径也具有重要意义。相关论文发表在12月18日《自然材料学》杂志网站上。热电效应能帮助人们在纳米尺度管理热量,利用热量流动来操控自旋信息。随着信息技术的发展,自旋电子学中的热电效应越来越受到人们关注。上世纪50年代首次发现热电效应,在固体中,当电子经过原子,其电荷就会改变附近的晶格结构,产生波动;反过来,晶格波动也会影响电子运动,就像海浪推动一个冲浪运动员在滑行。这种相互作用导致的热电效应其实是一种声子拖曳效应。此后不久,科学家预言在磁性材料中也存在类似现象:磁振子拖曳。在铁磁体中,自旋保持着平行的方向。如果发生了紊乱,就会产生自旋波影响电子运动,因此磁振子流也会拖动电子。研究人员解释说,尽管这和声子拖曳很相似,但要观察磁振子拖曳却非常困难。主要原因是声子拖曳太显著,把磁振子拖曳和声子拖曳区别开非常困难。多年来,科学家只报道过一些间接证据。为此,研究人员设计了一种特殊设备来分开磁振子拖曳和其他热电效应。这种设备类似一种温差电堆,在冷热源之间以热并联电串连的方式排布大量成对的铁磁线,通过控制成对铁磁线中的磁方向,来分离电子和声子拖曳的热电效应,独立研究磁振子拖曳。论文指出,检测结果作为温度的函数,显示出磁振子拖曳效应服从磁振子和声子总体变化。这一信息对理解电子磁振子相互作用、磁振子动力学和热自旋传输的物理机制非常关键。
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最近一期的《物理评论快报》报道了美国麻省理工学院的科学家近日发现了热电学中描述电子传输的方程,用于描述磁振子传输,发现如果处在有差异的磁场中,磁振子可能会从磁铁一端运动到另一端,带走热量而产生制冷效果。科学家们预测磁铁能用作冰箱的制冷剂。

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目前还需要通过实验来证明这一理论,并寻找更好的材料。

据外媒报道,国际研究团队发现,即便是在顺磁材料中,固体中的自旋局部热扰动也能实现热能转换。以前,人们一直认为,在顺磁材料中,自旋关联时间不长,无法做到这一点。该效应被称为“顺磁振子曳引热电”,可以将温差转变为电能。这一发现有助于更有效地收集热能,例如,将汽车尾气中的热量转化为电能,提高燃料效率,或通过体热为智能服装提供动力。

在铁磁体中,本地磁矩能够旋转并以不同方向排列。在绝对零度时,磁矩排列使磁体产生的磁力最强;随着温度上升,更多磁矩自旋变得更不同步,磁力会变弱。而磁振子就是随着这种温度升高而产生的。磁振子是磁铁中的一种准粒子,是磁矩共同旋转形成的,也叫自旋子。

参与此项研究的包括北卡罗莱纳州立大学、美国能源部橡树岭国家实验、中国科学院和俄亥俄州立大学的科学家。在含有磁性离子的固体中,自旋热扰动或彼此对齐,或不对齐。然而,顺磁材料中的自旋并非完全随机。它们会形成短暂、短程和局部有序结构的顺磁振子,这些振子仅能存在很短的时间,并且只延伸到两到四个原子上。研究人员表示,尽管存在这些缺点,顺磁振子仍能在温差中产生移动,并推动自由电子一起移动,从而产生顺磁振子曳引热电。在一项概念性验证发现中,研究小组观察到,即便在非常高的温度下,碲化锰中仍能产生顺磁振子曳引现象,所产生的热电,比仅靠电子电荷产生的能量要高得多。

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