Kesan putaran Seebeck - laluan untuk pusingan termal • Alexander Samardak • Berita sains mengenai "Unsur" • Fizik, Nanoteknologi

Kesan Seebeck berputar – laluan kepada pengintip haba

Rajah. 1. a – imej termokopel yang terdiri daripada dua logam berlainan A dan B, bersambung antara satu sama lain. Logam mempunyai pekali Seebeck yang berlainan, jadi voltan di antara hujung "sejuk" termokopel adalah berkadar terus dengan perbezaan suhu T1-T2 antara "panas" dan "sejuk" berakhir. b – penjelasan mengenai kesan putaran Seebeck. Dalam magnet logam, elektron konduksi dalam spin-up dan spin-down states mempunyai koefisien Seebeck yang berbeza. Jika kecerunan suhu digunakan pada magnet, maka arus putaran μ akan berkadar dengan perbezaan suhu pada hujungnya. Rajah. dari artikel yang dipersoalkanAlam

Dalam beberapa peranti termoelektrik, kesan yang dipanggil Seebeck telah digunakan untuk jangka masa yang lama – berlakunya voltan elektrik dalam litar logam berbeza yang berkaitan secara berturutan yang kenalannya terletak pada suhu yang berbeza. Dan baru-baru ini, saintis Jepun secara eksperimen menunjukkan kewujudan kesan putaran Seebeck: ternyata bahawa magnet logam yang diletakkan dalam kecerunan suhu adalah analog termokopel.

Dalam fizik moden, penemuan kesan baru adalah jauh dari kerap dan, pada hakikatnya, kebanyakannya memperluaskan pelbagai penyebaran kesan klasik pada objek nanoworld.Begitu juga dengan kesan Seebeck spin yang baru ditemui, yang menjadi kesinambungan logik dari kesan Seebeck klasik, ditemui kembali pada tahun 1821. Orang baru, menurut saintis, mampu membuat revolusi dalam bidang sains moden – spintronics.

Kesan Seebeck klasik adalah penampilan voltan elektrik dalam litar yang terdiri daripada logam berbeza yang berkaitan secara berturut-turut, hubungan antara yang berada pada suhu yang berbeza. Terima kasih kepada kesan ini, manusia telah memperoleh kunci kepada fenomena kelas yang besar di bawah nama umum "thermoelectricity".

Hari ini, dalam beberapa peranti, seperti penjana termoelektrik, sensor voltan, suhu, tekanan gas, intensiti cahaya, kesan Seebeck terlibat. Peranti termoelektrik digunakan secara meluas dalam kehidupan seharian kita. Hampir semua sekurang-kurangnya sekali dalam hidup mereka berada di sauna, tetapi hanya sedikit yang mengetahui bahawa kawalan suhu di dalamnya dilakukan oleh termokopel yang disebut.

Termometer thermoelektrik seperti itu terdiri daripada dua kepingan logam yang tidak berbeza yang disambungkan oleh kimpalan (Rajah 1a).Satu hujung thermocouple diletakkan dalam medium yang diukur (dalam kes kami, di sauna), dan hujung percuma dibawa keluar dan disambungkan ke peranti pengukur. Apabila relau dihidupkan untuk pemanasan, hujung yang berbeza dari termokopel akan berada pada suhu yang berbeza (kecerunan suhu berlaku), yang akan membawa kepada kemunculan kuasa terma atau termoelekromotive terma (kuasa termoelektrik).

Alat pengukur menukarkan arus terma ke dalam termometer atau berfungsi sebagai sensor suhu untuk menghidupkan dan mematikan dapur di sauna apabila ia mencapai suhu tertentu. Dengan cara ini, jika, semasa di sauna, anda tidak mempunyai peluang untuk meningkatkan suhu dengan cara undang-undang (unit kawalan dapur dikunci oleh pentadbir), maka anda boleh menggunakan pengetahuan fizik. Untuk melakukan ini, pada akhir "panas" thermocouple, cukup untuk menggulung sapu tangan atau tuala yang direndam di dalam air. Harus diingat bahawa kelebihan utama termokopel dibandingkan dengan termometer cair adalah pelbagai suhu operasi: dari 4 hingga 2800 K, bergantung kepada bahan yang digunakan.

Tiga sebab utama termopower berlaku. Pertama, ia adalah pergantungan suhu tahap Fermi bagi konduktor penghubung.Dalam kes mencipta kecerunan suhu, perbezaan potensi hubungan dalaman logam akan berbeza, yang membawa kepada komponen hubungan arus terma. Kedua, penyebaran pembawa caj dari hujung panas ke sejuk. Dalam logam, elektron pemindahan haba yang tersebar dari hujung panas ke hujung sejuk, terkumpul di atasnya. Hasilnya, medan elektrik muncul yang diarahkan pada kecerunan suhu dan menghalang pemisahan caj selanjutnya. Ketiga, penentangan elektron dengan fonon, yang bergerak ke arah yang bertentangan dengan kecerunan suhu dan, oleh kerana itu, "tolak" elektron pada akhir sejuk.

Semua sebab ini diambil kira dalam koefisien Seebeck yang berbeza bagi konduktor yang berbeza (kerana ia bergantung kepada ketumpatan elektron konduksi dan kadar penyebarannya) dan ditakrifkan sebagai nisbah voltan elektrik yang dihasilkan kepada perbezaan suhu di hujung konduktor. Anda boleh membaca lebih lanjut mengenai kesan Seebeck klasik di sini atau di sini.

Baru-baru ini, ahli sains Jepun secara eksperimen menunjukkan kewujudan kesan putaran Seebeck. Kerja mereka diterbitkan dalam jurnal Alam. Semuanya bermula dengan perbincangan teoritis. Oleh kerana dalam magnet logam, elektron konduksi dalam "spin up" dan "spin down" menyatakan mempunyai ketumpatan yang berbeza dan kadar hamburan, penulis penerbitan secara logik mencadangkan bahawa spin state juga mempunyai pekali Seebeck yang berbeza. Dalam erti kata lain, penulis mencadangkan untuk mempertimbangkan magnet sebagai dua konduktor dengan pekali Seebeck yang berbeza (Rajah 1b).

Jadi, magnet (dalam eksperimen ini – filem 20-nanometer permalloy Ni81Fe19), diletakkan dalam kecerunan suhu, mengandungi dua saluran untuk elektron dalam keadaan putaran yang berlainan. Sebenarnya, magnet logam yang diletakkan dalam kecerunan suhu adalah analog termokopel! Oleh kerana saluran putaran akan mengalir arus yang berbeza, masing-masing, μdan μ, maka pada output magnet kita dapat mengekstrak aliran putaran tulen sama dengan μ. Seperti yang ditunjukkan oleh pengarang artikel, seperti arus putaran termaju yang disebabkan oleh haba boleh menyebarkan jarak jauh dari ujung magnet.

Kesan putaran Seebeck adalah dasar asas baru untuk penciptaan penjana semasa berputar, yang merupakan elemen utama dalam generasi baru alat pengintip terma.Untuk pertama kalinya di dunia, para saintis Jepun berjaya mendapatkan arus putaran tulen – satu aliran putaran elektron (lebih tepatnya, elektron dengan spin yang sama) tanpa menggunakan arus elektrik – menyebarkan jarak jauh (beberapa milimeter). Ini adalah hasil yang mengagumkan, kerana semua kajian terdahulu telah menunjukkan bahawa arus spin melemahkan pada jarak lebih besar daripada panjang penyebaran spin (jarak yang berputar bergerak tanpa hamburan); untuk perbandingan, penyebaran spin pada tembaga adalah kira-kira 500 nm, dalam platinum – 5 nm. Satu-satunya pengecualian adalah kerja Appelbaum, yang berjaya memindahkan spin ke jarak 350 μm.

Para penulis percaya bahawa kesan putaran Seebeck serius akan mengubah penyelidikan dalam bidang arus putaran dan akan membawa kepada kemajuan teknologi yang pesat untuk menghasilkan alat spintronic generasi baru.

Sumber: K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, ​​S. Maekawa, E. Saitoh. Pemerhatian kesan Seebeck spin // Alam. 2008. V. 455. ms 778-781; doi: 10.1038 / nature07321.

Lihat juga tentang spintronics:
1) Transistor spin berasaskan silikon pertama membuka jalan kepada elektronik generasi baru, "Elements", 10/31/2007.
2) Memori magnet "pada treadmill": pantas, murah dan boleh dipercayai, "Unsur", 04/29/2008.
3) Hadiah Nobel dalam Fizik – 2007, "Unsur", 10/16/2007.

Alexander Samardak


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: