顺磁自旋带电子兜风，热能发电

一个国际研究小组观察到，固体自旋的局部热扰动可以将热转化为能量，甚至在顺磁材料中也是如此——在顺磁材料中，自旋之间的关联还不够长。研究人员称这种效应为“paramagnon drag thermopower”，它将温差转化为电压。这一发现可能会导致更有效的热能收集——例如，将汽车尾气的热量转化为电能以提高燃料效率，或通过人体热量为智能服装提供动力。

该研究团队包括来自北卡罗来纳州立大学、能源部橡树岭国家实验室(ORNL)、中国科学院和俄亥俄州立大学的科学家。

在有磁性离子的固体(如锰)中，自旋的热扰动既可以彼此对齐(铁磁体或反铁磁体)，也可以不对齐(顺磁体)。然而，顺磁体中的自旋并非完全随机的:它们形成短暂的、短距离的、局部有序的结构——顺磁体——仅存在百万分之十亿分之一秒，并且只延伸到2到4个原子。在一篇描述这项工作的新论文中，研究人员指出，尽管有这些缺点，即使是paramagnon也可以在温差下移动，并推动自由电子与之一起移动，从而产生paramagnon拖动热电。

在一项概念证明的发现中，研究小组观察到，在碲化锰(MnTe)中paramagnon的拖曳可以延伸到非常高的温度，并产生比单电子电荷所能产生的热电要强得多的热电。

研究小组通过将掺杂锂的MnTe加热到比Néel温度(34摄氏度)高出约250摄氏度来测试paramagnon拖拽热电的概念。在这个温度下，材料中的自旋失去了它们的远程磁性顺序，材料变成了顺磁性。

北卡罗来纳州立大学电气、计算机工程和材料科学教授Daryoosh Vashaee说:“在Néel温度以上，人们会认为自旋波产生的热电会下降。”他也是这篇论文的共同通讯作者。“然而，我们并没有看到预期的下降，我们想找出原因。”

在ORNL，研究小组使用散裂中子源的中子光谱学来确定材料内部发生了什么。“我们观察到，即使没有持续的自旋波，局部的离子团也会使它们的自旋相互关联足够长的时间，从而产生可见的磁起伏，”ORNL的材料科学家、论文的共同通讯作者Raphael Hermann说。研究小组发现，这些自旋波的寿命——大约30飞秒——足以使电子电荷拖动，而这只需要大约1飞秒，或1万亿分之一秒。Hermann说:“因此，短寿命的自旋波可以推动电荷并产生足够的热能来阻止预测的下降。”

“在这项工作之前，人们认为马格农阻力只存在于磁有序材料中，而不存在于顺磁性材料中，”俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授、论文的共同通讯作者约瑟夫·赫尔曼斯说。“因为最好的热电材料是半导体，而且因为我们知道在室温或更高的温度下没有铁磁半导体，我们以前从未想过马侬阻力可以在实际应用中提高热电效率。这项新发现完全改变了这一点;我们现在可以研究顺磁半导体，这类半导体有很多。”

“当我们观察到下面的突然崛起的塞贝克系数,奈尔附近的温度,这超额价值扩展到高温,我们怀疑一些从根本上与旋转必须参与,“Huaizhou赵说,在北京中国科学院教授和共同通讯作者论文的。“所以我们组建了一个专业互补的研究团队，为这一发现奠定了基础。”

“自旋通过减轻泡利排斥对电子造成的基本权衡，使热电学的新范式成为可能，”Vashaee说。“正如自旋塞贝克效应的发现，它导致了自旋热中子电子学的新领域，自旋角动量转移到电子，自旋波(即马子)和顺磁状态下磁化的局部热起伏(即，paramagnon)可以将它们的线性动量转换为电子并产生热电。”

这项研究发表在科学的进步由美国国家科学基金会、空军科学研究办公室和美国能源部科学办公室、基础能源科学、材料科学和工程部支持。俄亥俄州立大学的研究生和共同第一作者郑元华，中国科学院的陆天奇和北卡罗来纳州的Mobarak H. Polash对这项工作做出了同样的贡献。ORNL的散裂中子源是美国能源部科学用户设施办公室。

皮克-

编辑报告下面是摘要。

“帕拉玛侬阻力在掺锂MnTe中产生高热电值”

DOI：10.1126 / sciadv.aat9461

作者:郑元华，Joseph P. hermans，俄亥俄州立大学;陆天启，刘宁，邓远，孙培杰，陈晓龙，赵怀洲，中国科学院;北卡罗来纳州立大学Morteza Rasoulianboroujeni的Mobarak H. Polash博士;迈克尔·曼利，拉斐尔·p·赫尔曼，橡树岭国家实验室。
发表时间:2019年9月13日科学的进步

文摘:
研究发现，在900 K的温度下，li掺杂MnTe的局部热磁化波动显著提高了其热电功率α。在Neel温度(TN ~ 307 K)以下，MnTe具有反铁磁性，马侬阻力对热电倍率的贡献为αmd，热电倍率为~T3。由于中子能谱显示的长寿命、短周期的反铁磁类涨落(paramagons)继续处于顺磁状态，马侬拖曳一直持续到>3×TN。帕拉侬子寿命比电荷-载流子相互作用时间长;其自旋-自旋空间相关长度大于自由载流子有效玻尔半径和德布罗意波长。因此，对流动的载体来说，paramagnon看起来像magnons，并提供paramagnon-drag热电力。这一贡献导致了一种最佳掺杂材料，在T> ~ 900 K时热电系数为ZT>1，这是第一种具有技术意义的自旋热电子效应热电转换效率的材料。