Ett internationellt team av forskare har observerat att lokala termiska störningar av spinn i ett fast ämne kan omvandla värme till energi även i ett paramagnetiskt material - där spinn inte ansågs korrelera tillräckligt länge för att göra det. Denna effekt, som forskarna kallar "paramagnon drag thermopower, " omvandlar en temperaturskillnad till en elektrisk spänning. Denna upptäckt kan leda till effektivare värmeenergiskörd—till exempel, konvertera bilavgasvärme till elkraft för att förbättra bränsleeffektiviteten, eller driva smarta kläder med kroppsvärme.

Forskargruppen inkluderar forskare från North Carolina State University, Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory (ORNL), den kinesiska vetenskapsakademin och Ohio State University.

I fasta ämnen med magnetiska joner (t.ex. mangan), termiska störningar av spinn kan antingen vara i linje med varandra (ferromagneter eller antiferromagneter), eller inte justeras (paramagneter). Dock, snurr är inte helt slumpmässiga i paramagneter:de bildar kortlivade, kort avstånd, lokalt ordnade strukturer – paramagnoner – som bara existerar under en miljondels miljondels sekund och sträcker sig över endast två till fyra atomer. I ett nytt papper som beskriver arbetet, forskarna visar att trots dessa brister, även paramagnoner kan röra sig i en temperaturskillnad och driva fria elektroner tillsammans med dem, skapa paramagnon drag thermopower.

I ett proof-of-concept-fynd, teamet observerade att paramagnonmotstånd i mangantellurid (MnTe) sträcker sig till mycket höga temperaturer och genererar en termokraft som är mycket starkare än vad enbart elektronladdningar kan göra.

Forskargruppen testade konceptet med paramagnon drag thermopower genom att värma litiumdopad MnTe till cirka 250 grader Celsius över dess Néel-temperatur (34 grader Celsius) - den temperatur vid vilken spinnen i materialet förlorar sin långdistansmagnetiska ordning och materialet blir paramagnetisk.

"Over Néel-temperaturen, man skulle förvänta sig att termokraften som genereras av spinnvågorna skulle falla, " säger Daryoosh Vashaee, professor i elektro- och datateknik och materialvetenskap vid NC State och medförfattare till uppsatsen som beskriver arbetet. "Dock, vi såg inte det förväntade avfallet, och vi ville ta reda på varför."

På ORNL använde teamet neutronspektroskopi vid Spallation Neutron Source för att fastställa vad som hände i materialet. "Vi observerade att även om det inte fanns några ihållande spinnvågor, lokaliserade jonkluster skulle korrelera sina spinn tillräckligt länge för att producera synliga magnetiska fluktuationer, säger Raphael Hermann, en materialvetare vid ORNL och medförfattare till artikeln. Teamet visade att livslängden för dessa spinnvågor - runt 30 femtosekunder - var tillräckligt lång för att möjliggöra släpning av elektronladdningar, som bara kräver ungefär en femtosekund, eller en kvadrilliondels sekund. "De kortlivade snurrvågorna, därför, kunde driva laddningarna och skapa tillräckligt med värmekraft för att förhindra det förutsedda avfallet, säger Hermann.

"Innan detta arbete, man trodde att magnondrag endast kunde existera i magnetiskt ordnade material, inte i paramagneter, säger Joseph Heremans, professor i maskin- och rymdteknik vid Ohio State University och medförfattare till artikeln. "Eftersom de bästa termoelektriska materialen är halvledare, och eftersom vi inte känner till någon ferromagnetisk halvledare vid rumstemperatur eller högre, vi trodde aldrig tidigare att magnon drag kunde öka den termoelektriska effektiviteten i praktiska tillämpningar. Detta nya fynd förändrar det helt; vi kan nu undersöka paramagnetiska halvledare, som det finns många av."

"När vi observerade den plötsliga ökningen av Seebeck-koefficienten under och nära Néel-temperaturen, och detta övervärde sträckte sig till höga temperaturer, vi misstänkte att något fundamentalt relaterat till snurr måste vara inblandat, " säger Huaizhou Zhao, en professor vid den kinesiska vetenskapsakademin i Peking och medförfattare till artikeln. "Så vi bildade ett forskarlag med kompletterande expertis som lade grunden för denna upptäckt."

"Spins möjliggör ett nytt paradigm inom termoelektricitet genom att lindra de grundläggande kompromisser som Pauli utestängning påtvingar elektroner, " Säger Vashaee. "Precis som i upptäckten av spin-Seebeck-effekten, vilket ledde till det nya området spincaloritronics, där spinns rörelsemängd överförs till elektronerna, båda spinnvågorna (dvs. magnoner) och de lokala termiska fluktuationerna av magnetisering i det paramagnetiska tillståndet (dvs. paramagnoner) kan överföra sin linjära rörelsemängd till elektroner och generera termokraft."

Forskningen dyker upp i Vetenskapens framsteg .