顺磁自旋带着电子兜风，从热中产生电

一个国际研究团队观察到，固体中自旋的局部热扰动可以将热转化为能量，即使在顺磁性材料中也是如此，而在顺磁性材料中，自旋的相关时间还不够长。研究人员将这种效应称为“顺磁拖动热能”，它将温差转化为电压。这一发现可能会带来更有效的热能收集——例如，将汽车尾气的热量转化为电能以提高燃油效率，或者利用人体热量为智能服装供电。

该研究团队包括来自北卡罗莱纳州立大学、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。

在含有磁离子的固体中(如锰)，自旋的热扰动可以彼此对齐(铁磁体或反铁磁体)，也可以不对齐(顺磁体)。然而，顺磁体中的自旋并不完全是随机的:它们形成了短命的、短距离的、局部有序的结构——顺磁体——其存在时间仅为十亿分之一秒的百万分之一分之一秒，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，研究人员表明，尽管存在这些缺点，即使是顺磁子也可以在温差下移动，并推动自由电子随其移动，从而产生顺磁子拖热功率。

在一个概念验证的发现中，研究小组观察到，碲化锰(MnTe)中的顺磁阻力扩展到非常高的温度，并产生比单独电子电荷产生的强大得多的热功率。

该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摄氏度的温度，测试了顺磁拖动热动力的概念。在Néel温度下，材料中的自旋失去了远程磁序，材料变得顺磁性。

“在Néel温度以上，人们会认为自旋波产生的热能会下降，”北卡罗来纳州立大学电子、计算机工程和材料科学教授Daryoosh Vashaee说，他是描述这项工作的论文的共同通信作者。“然而，我们没有看到预期的下降，我们想找出原因。”

在ORNL，研究小组使用中子光谱学在散裂中子源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，局部离子簇的自旋相互关联的时间足够长，从而产生可见的磁波动，”ORNL的材料科学家、论文的共同通讯作者Raphael Hermann说。研究小组表明，这些自旋波的生命周期——大约30飞秒——足以使电子电荷被拖拽，而这只需要大约1飞秒，或万亿分之一秒。赫尔曼说:“因此，短时间的自旋波可以推动电荷，并产生足够的热能来防止预期的下降。”

“在这项工作之前，人们认为磁子阻力只存在于磁有序材料中，而不存在于顺磁体中，”俄亥俄州立大学机械与航空航天工程教授、论文的共同通讯作者约瑟夫·埃勒曼斯(Joseph Heremans)说。“因为最好的热电材料是半导体，因为我们知道在室温或室温以上没有铁磁性半导体，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性半导体，这种半导体有很多。”

“当我们观察到塞贝克系数在Néel温度以下和附近的突然上升，并且这个超值扩展到高温时，我们怀疑这一定与自旋有关，”北京中国科学院教授赵怀洲说，他也是这篇论文的共同通讯作者。“因此，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。”

Vashaee说:“自旋通过减轻泡利排斥对电子造成的基本权衡，使热电学有了一个新的范式。”“就像自旋-塞贝克效应的发现一样，自旋角动量被转移到电子中，自旋波(即磁子)和顺磁态磁化的局部热涨落(即顺磁子)都可以将它们的线性动量转移到电子中，并产生热功率。”

这项研究发表在科学的进步并得到国家科学基金会、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、材料科学和工程部的支持。研究生和共同第一作者俄亥俄州立大学的郑元华、中国科学院的陆天奇和北卡罗来纳州立大学的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的科学用户设施办公室。

皮克-

编辑报告:下面是摘要。

“在掺锂的MnTe中，顺磁阻力产生高热电特性”

DOI：10.1126 / sciadv.aat9461

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

文摘:
研究发现，在高达900 K的温度下，掺锂MnTe的局部热磁化涨落能显著提高其热功率α。在尼尔温度(TN ~ 307 K)以下，MnTe是反铁磁性的，磁子阻力贡献αmd的热功率，其比例为~T3。马子阻力持续进入顺磁状态直到>3×TN，因为中子能谱显示长寿命、短距离的反铁磁样波动(顺磁子)继续处于顺磁状态。顺磁子寿命比载流子-磁子相互作用时间长;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，对于流动的载体，顺磁子看起来像磁子，并提供一个顺磁拖热动力。这一贡献产生了一种最佳掺杂材料，其热电系数在T> ~ 900 K时为ZT>1，这是第一个具有技术意义的自旋热电子效应的热电能量转换效率的材料。