a Thomson-effektus termikus képalkotása

Nézőpont
    Kelly Morrison és Fasil Kidane Dejene

    • Fizikai Tanszék, Loughborough Egyetem, Loughborough, Egyesült Királyság
szeptember 2, 2020&Bullet; fizika 13, 137
egy megfoghatatlan termoelektromos hatás hőképei azt mutatják, hogy a hatás jelentősen megnő, ha mágneses mezőt alkalmaznak az anyagra.
ábra feliratábra kibontása
ApS/Carin Cain

1.ábra: új kísérletekben Uchida a kollégák pedig a Thomson-effektus néven ismert termoelektromos hatást ábrázolták (jobbra). Ehhez el kellett különíteniük a hatást az ismertebb termoelektromos hatásoktól, a Seebeck és Peltier hatásoktól, valamint a Joule fűtéstől. (Balra) a Seebeck-effektus A V töltésfeszültség generálását írja le a két anyag (zöld és kék) közötti, SA és SB Seebeck együtthatóval rendelkező interfészen jelen lévő (piros színnel ábrázolt) hőmérsékletkülönbségből. A Peltier-effektus ugyanazon rendszer fűtése vagy hűtése, amikor Jc töltőáram áramlik át az interfészen. (Jobbra) a Thomson-effektus a mozgó töltés által az egységnyi hőmérséklet-növekedésre jutó hőmennyiség, amely egyetlen vezető anyagban nyilvánulhat meg (szürkével ábrázolva). A töltés és a hőáramok relatív tájolásától függően a hő vagy elnyelődik, vagy felszabadul a surroundings.In új kísérletek, Uchida és kollégái elképzeltek egy termoelektromos hatást, amelyet Thomson-effektusnak neveznek (jobbra). Ehhez el kellett választaniuk a hatást a közismertebb termoelektromos hatásoktól, a Seebeck és a Peltier hatásoktól … Több megjelenítése
ábra felirat
APS / Carin Cain

1. ábra: Új kísérletekben Uchida és kollégái a Thomson-effektus néven ismert termoelektromos hatást ábrázolták (jobbra). Ehhez el kellett különíteniük a hatást az ismertebb termoelektromos hatásoktól, a Seebeck és Peltier hatásoktól, valamint a Joule fűtéstől. (Balra) a Seebeck-effektus A V töltésfeszültség generálását írja le a két anyag (zöld és kék) közötti, SA és SB Seebeck együtthatóval rendelkező interfészen jelen lévő (piros színnel ábrázolt) hőmérsékletkülönbségből. A Peltier-effektus ugyanazon rendszer fűtése vagy hűtése, amikor Jc töltőáram áramlik át az interfészen. (Jobbra) a Thomson-effektus a mozgó töltés által az egységnyi hőmérséklet-növekedésre jutó hőmennyiség, amely egyetlen vezető anyagban nyilvánulhat meg (szürkével ábrázolva). A töltés és a hőáramok relatív tájolásától függően a hő vagy elnyelődik, vagy felszabadul a környezetbe.
++

a” termoelektromos ” kifejezés leggyakrabban akkor jelenik meg, amikor leírja, hogy az anyagok hogyan alakítják át a hőmérsékletkülönbséget elektromos árammá, és fordítva. Ezek a leírások azonban gyakran figyelmen kívül hagyják az úgynevezett Thomson—effektust-egy további fűtési vagy hűtési hatást, amely egy vezető anyagban merül fel, amely mind töltőáramnak, mind hőmérsékleti gradiensnek van kitéve. Ken-ichi Uchida, a japán nemzeti Anyagtudományi Intézet és a japán Tohoku Egyetem munkatársa és kollégái sikeresen leképezték ezt a hatást, és közvetlenül megmutatták a fűtés és hűtés megfordítását, amelyet az anyagban indukál. Eredményeik befolyásolhatják a mágneses rendszerek termoelektromos eszközeinek tervezését, például a spintronikai alkalmazások hőkapcsolóit .

Képzeljünk el egy eszközt két anyagból, amelyek össze vannak szorítva. A két anyag közötti interfész hőmérsékletének emelése potenciális különbséget vált ki az eszközön, amely arányos az indukált hőmérsékleti gradienssel, ezt a jelenséget Seebeck-effektusnak nevezik (ábra. 1). A fordított folyamatot—az interfész fűtését vagy hűtését töltőáram áramlásával-Peltier-effektusnak nevezzük. A Thomson-effektus szerepet játszik a termoelektromos viselkedésben is. Gyakran azonban figyelmen kívül hagyják, mert nehéz mérni, és a gyakorlatban a termoelektromos eszközök elemzésének kis korrekciójaként nyilvánul meg .

a Thomson-effektus mind a hőmérsékleti gradienstől, mind az anyag töltési áramától függ . A Peltier-és Seebeck-effektusokkal ellentétben a Thomson-effektus nem igényel két anyag jelenlétét—előfordulhat egy anyag homogén lemezében is. Eredetileg William Thomson (más néven Lord Kelvin) javasolta, hogy a Thomson-effektus összekapcsolja a Peltier-együtthatót (az egységnyi töltésre elnyelt/kialakult hő) és a Seebeck-együtthatót S (az egységnyi hőmérséklet-különbségre generált feszültség) bármely hőmérsékleten T0, felhasználva a kb-t=ST0 és a Thomson-együtthatót .

a tudósok közel 100 éve próbálják közvetlenül mérni a Thomson-hatást és annak hatását más termofizikai jelenségekre. De eddig a hatást csak közvetetten észlelték, ha összehasonlították az anyag Joule-fűtését a Thomson-effektus miatt a fűtéssel vagy hűtéssel, mivel az anyagon átáramló töltési áram csökkent, vagy megfigyelték a Seebeck-együttható hőmérsékletfüggését . Uchida és kollégái új eredményei megoldják ezt a hiányosságot, biztosítva a hatás első közvetlen mérését.

kísérleteik során Uchida és munkatársai a bi88sb12 bizmut-antimon ötvözetből készült nem mágneses vezető 3,5 mm vastag lemezén tanulmányozták a hőelnyelést és a kibocsátást. A lemez mindkét végét rögzített hőmérsékleten tartották. A lemez közepén a csapat egyenáramú fűtőtestet csatlakoztatott. Ez az eszköz felmelegítette a födém közepét, “bipoláris” hőmérsékleti gradienst indukálva az anyagon, mindkét vége hidegebb, mint a középpont. A csapat ezután periodikus négyzethullámú áramot vezetett át a födémen, amely gyengén modulálta a födém hőmérsékleti profilját. A lemez hőmérsékleti profiljának mérésére a csapat egy termográfiai kamerával képezte le, amely a négyzethullámú áram frekvenciájára van rögzítve. A mágneses térből eredő elektromágneses erőről ismert, hogy módosítja a Seebeck és a Thomson együtthatókat, így a csapat ugyanazokat a kísérleteket is elvégezte, miközben az anyagra legfeljebb 0,9 T erősségű mágneses mezőt alkalmazott.

ennek a periodikus hőmérsékletváltozásnak a rögzítésével a csapat képes volt elkülöníteni a Peltier és Thomson hatások által okozott hőváltozásokat az állandó (dc) Joule fűtésből eredő hőváltozásoktól. A csapat ezután ugyanazokat a kísérleteket hajtotta végre a fűtőberendezéssel, ami lehetővé tette számukra, hogy elkülönítsék a Thomson és a Peltier effektus hozzájárulását. A Thomson-effektus izolálásának további megerősítése abból a megfigyelésből származott, hogy a mért hatás lineárisan növekedett a növekvő töltési áramsűrűséggel és hőmérséklet-gradienssel, ezt a viselkedést a Thomson modelljei előre jelezték.

a mágneses mező hiányában a csapat hőképei azt mutatják, hogy a födém hőmérséklet-modulációval rendelkezik, amely irányt vált a födém közepén, amint az a Thomson-effektus várható. A mező bekapcsolásakor ezeknek a hőmérséklet-modulációknak az amplitúdójának 90,3% – os növekedését figyelték meg. Ez a magas érték teszi a mágneses-Thomson együtthatót összehasonlíthatóvá az anyag Seebeck együtthatójával, és lényegesen magasabb, mint a megfelelő mágneses mező által kiváltott változások mind az anyag termikus, mind elektromos vezetőképességében (8,3 és 19,4%), valamint a Seebeck együtthatójában (20,5%).

a Thomson-együttható növelése mágneses mező alkalmazása esetén az anyag hűtési hatékonyságának lehetséges javulását jelzi. Ez a viselkedés felhasználható mágneses hűtőberendezések létrehozására, amelyekben a Thomson-effektus kompenzálja a Joule-fűtést .

az a technika, amelyet a csapat alkalmazott, alkalmazható más mágneses anyagok termoelektromos hatásainak tanulmányozására is, mint például a spin-Thomson—effektus-egy másik megfoghatatlan termoelektromos jelenség . A tudósok bebizonyították a spin-függő termoelektromos hatások létezését, amelyek szabályozási paraméterei a töltési árammal és a hőmérsékleti árammal együtt további fokú szabadságot tartalmaznak: egyéni elektron-spin vagy kollektív spin-gerjesztések, amelyeket magnonoknak neveznek. A Seebeck és Peltier effektusok Spin-analógjait fémes és szigetelő mágneses rendszerekben tanulmányozták, és ezek képezik a “spin kaloritronika” feltörekvő területének alapját.”Ezért érdekes lehet ezt a technikát alkalmazni a spin-kaloritron kísérletekre annak megállapítására, hogy a spin-Thomson hatás jelen van-e a korábbi munkákban vizsgált eszközökben . Egy ilyen hatás óriási hatással lehet a spin-kaloritron eszközökre, mivel utat biztosíthat a programozható hőáram-kapcsolók vagy szelepek tervezéséhez.

végül, mivel más termoelektromos hatásoknak úgynevezett Onsager-reciprok folyamatai vannak —például a Peltier— effektus a Seebeck-effektus reciproka -, az új eredmények felvetik a kérdést, hogy van-e reciprok, inverz-Thomson-effektus. Kialakul-e olyan hőmérsékleti gradiens, amely párhuzamos vagy párhuzamos a töltőáram áramlásával, amikor helyi hőelnyelés vagy Evolúció történik egy termoelektromos anyagban? Az inverz-Thomson-effektus tesztelésére szolgáló kísérleti rendszer megtervezése nehéz, de nem lehetetlen. A technikák legújabb fejleményei, mint például a szkennelő szonda hőmérése, lehetővé tehetik a kutatók számára, hogy lokálisan megvizsgálják az inverz Thomson-hatást azáltal, hogy lokalizált fűtést vagy hűtést vezetnek be a nanoméretben.

  1. K. Uchida et al., “A magneto-Thomson-effektus megfigyelése” Phys. Lett Tiszteletes. 125, 106601 (2020).
  2. I. A. Starkov et al., “A hő-magnetoelektromos jelenségek Spin analógjai hőkapcsolókhoz”, J. Magn. Magn. Matuka. 496, 165949 (2020).
  3. V. Giaretto et al., “A megfoghatatlan Thomson-hatás a termoelektromos eszközökben. Kísérleti vizsgálat 363 K-tól 213 K-ig különböző Peltier modulokon,” Fémek 10, 291 (2020).
  4. D. K. C. MacDonald, Thermoelectricity: Bevezetés Az elvekbe (Dover Publications, Inc., New York, 2006).
  5. J. Young, “a Thomson-effektus réz -, vas-és szénacélokban” Proc. Phys. Soc. London 37, 145 (1924).
  6. K. Uchida et al., “Spin Seebeck szigetelő,” Nat. Matuka. 9, 894 (2010).
  7. L. J. Cornelissen et al., “A magnon spin-információk távolsági szállítása mágneses szigetelőben szobahőmérsékleten”, Nat. Phys. 11, 1022 (2015).
  8. L. Gravier et al., “A merőleges áramok Spin-függő Peltier-hatása a többrétegű nanovezetékekben” Phys. Rev. B 73, 052410 (2006).
  9. A. Boehnke et al., “Nagy magneto-Seebeck-effektus mágneses alagút-csomópontokban félfémes Heusler elektródákkal,” Nat. Kommun. 8, 1626 (2017).
  10. H. B. Callen, “az Onsager kölcsönös kapcsolatainak alkalmazása a termoelektromos, termomágneses és galvanomágneses hatásokra” Phys. 73. fordulat, 1349 (1948).

A szerzőkről

Kelly Morrison képe

Kelly Morrison a londoni Imperial College-ban végzett Ph.D. fizikában 2010-ben. Jelenleg az EPSRC munkatársa és az Egyesült Királyság Loughborough Egyetemének adjunktusa, a magnetotermikus mérésekre, különösen a spin Seebeck-effektusra szakosodott. Fő tudományos érdeklődési körei közé tartozik a spin kaloritronika és más magnetoelektromos jelenségek; az energia betakarítása; és a funkcionális mágneses anyagok, mint például a magnetokalorikus hatás a szilárdtest hűtéshez.

Fasil Kidane Dejene képe

Fasil Kidane Dejene 2015-ben fejezte be Ph.D. kísérleti nanofizikából a németországi Groningeni Egyetemen. A németországi Max Planck Mikrostruktúrafizikai Intézet posztdoktora után 2018-ban csatlakozott az egyesült királyságbeli Loughborough Egyetemhez oktatóként. Tudományos kutatásai középpontjában a Spin-, töltés-és hőfokok közötti kölcsönhatás megértése áll; elektronok, magnonok és fononok termikus transzportja; valamint kétdimenziós és topológiailag nem triviális anyagok.

a Magneto-Thomson hatás megfigyelése

Ken-ichi Uchida, Masayuki Murata, Asuka Miura és Ryo Iguchi

Phys. Lett Tiszteletes. 125, 106601 (2020)

megjelent szeptember 2, 2020

olvassa el a PDF-t

Tárgyterületek

a szupravezetők szorításának enyhítése
kondenzált Anyagfizika

a szorítás enyhítése a Szupravezetőkön

szupravezetők március 25, 2021

a teoretikusok új stratégiákat javasolnak a magas hőmérsékletű szupravezetők tervezéséhez, amelyek jelentősen csökkentett nyomáson működnek—egy lépés a környezeti állapotú szupravezetők felé. Bővebben ”

az elektron orbitális mozgása uralja a Spintronikus hatást
kondenzált anyag fizika

az elektron orbitális mozgása uralja a Spintronikus hatást

március 24, 2021

kétdimenziós anyagban az elektronok orbitális mozgása, nem pedig a spin, a domináns hozzájárulás a spintronikai eszközök által használt hatáshoz. Bővebben “

a királis mágnes Vortex áramokat indukál a Szupravezetőkben
kondenzált anyag fizika

A királis mágnes Vortex áramokat indukál a Szupravezetőkben

március 17, 2021

A mágnes-szupravezető heterostruktúrákban felmerülő örvények ellenőrzése olyan qubitekhez vezethet, amelyek immunisak a környezetük hatásaival szemben. Olvass tovább ”

további cikkek

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.