National Institute for Materials Science (NIMS) har lyckats direkt observera den "anisotropiska magneto-Thomson-effekten", ett fenomen där värmeabsorptionen/frisättningen proportionell mot en applicerad temperaturskillnad och laddningsström (dvs. Thomson-effekten) ändras anisotropt beroende på på magnetiseringsriktningen i magnetiska material.

Denna forskning förväntas leda till vidareutveckling av grundläggande fysik och materialvetenskap relaterad till fusionsområdet termoelektrik och spintronik, samt till utveckling av nya funktioner för att styra termisk energi med magnetism. Studien är publicerad i tidskriften Physical Review Letters .

Thomson-effekten har länge varit känd som en av de grundläggande termoelektriska effekterna i metaller och halvledare, tillsammans med Seebeck- och Peltier-effekterna, som är drivande principer för termoelektrisk omvandlingsteknologi.

Även om magnetismens inverkan på Seebeck- och Peltier-effekterna har studerats i många år, har det inte klarlagts hur Thomson-effekten påverkas av magnetfält och magnetism eftersom den termoelektriska omvandlingen av Thomson-effekten i allmänhet är liten och dess mätning och kvantitativ. uppskattningsmetoder har inte fastställts helt.

Under sådana omständigheter rapporterade NIMS 2020 ett experimentellt resultat där Thomson-effekten i icke-magnetiska ledare observerades förändras med ett magnetfält (dvs. magneto-Thomson-effekten).

Den här gången lyckades forskarna observera den anisotropa magneto-Thomson-effekten i magnetiska material genom mer exakta termiska mätningar. Den anisotropa magneto-Thomson-effekten i magnetiska material skiljer sig från den konventionella magneto-Thomson-effekten i icke-magnetiska material, och detta är den första direkta observationen av det outforskade fenomenet.

NIMS forskargrupp använde en termisk mätningsteknik som kallas lock-in termography för att exakt mäta temperaturfördelningen som genereras när en laddningsström appliceras på en ferromagnetisk legering Ni₉₅ Pt₅ medan man tillämpar en temperaturskillnad, och verifierade hur Thomson-effekten förändras beroende på magnetiseringsriktningen.

Som ett resultat fann man att mängden värmeabsorption (eller värmeavgivning) som genererades i Ni₉₅ Pt₅ legeringen är större när temperaturgradienten och laddningsströmmen är parallella med magnetiseringen än när de är vinkelräta mot magnetiseringen. Detta resultat överensstämmer med det beteende som förväntas från mätningar av Seebeck- och Peltier-effekterna i magnetiska material.

Denna forskning har klargjort de grundläggande egenskaperna hos den anisotropa magneto-Thomson-effekten och etablerade tekniker för dess kvantitativa mätning. I framtiden kommer forskarna att fortsätta att utforska fysiken, materialen och funktionerna hos den anisotropa magneto-Thomson-effekten för att undersöka ny fysik orsakad av växelverkan mellan värme, elektricitet och magnetism, och för att utveckla applikationer för termisk hanteringsteknik som kommer att bidra till förbättrad effektivitet och energibesparing i elektroniska enheter.

Detta projekt utfördes av Rajkumar Modak (specialforskare, forskningscentrum för magnetiska och spintroniska material CMSM), NIMS), Takamasa Hirai (forskare, CMSM, NIMS), Seiji Mitani (direktör, CMSM, NIMS) och Ken-ichi Uchida (Distinguished Group Leader, CMSM, NIMS).

Mer information: Rajkumar Modak et al, Observation of the Anisotropic Magneto-Thomson Effect, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.206701

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av National Institute for Materials Science