Гигантский спиновый эффект Зеебека позволяет усилить процесс преобразования тепла в электричество в 1000 раз

Исследователи, которые изучают новый магнитный эффект, преобразующий тепло в электричество, нашли способ усилить его в тысячу раз. Это открытие может послужить первым шагом на пути к повышению эффективности данной технологии. В так называемом спиновом эффекте Зеебека спин электронов создает ток в магнитных материалах, обнаруживаемый как напряжение в примыкающем металле.

Исследователи из университета штата Огайо нашли способ воспроизвести аналогичный эффект в немагнитных полупроводниках, производя при этом больше электроэнергии. Они назвали этот усиленный эффект «гигантским спиновым эффектом Зеебека». Сотрудники университета планируют подать заявку на получение патента на различные разновидности этой технологии.

Полученное напряжение оказалось довольно мало. Однако в последнем выпуске журнала «Nature» ученые сообщают, что им удалось увеличить напряжение с нескольких микровольт до нескольких милливольт на каждый градус изменения температуры в полупроводнике. Таким образом, тысячекратное увеличение напряжения привело к росту объема электроэнергии в миллион раз.

Джозеф Хереманс – специалист по нанотехнологиям из университета Огайо – заявляет, что конечная цель работы его команды заключается в разработке недорогого и эффективного генератора, который преобразовывает тепло в электричество. Такие установки не будут иметь движущихся частей и изнашиваться, а поэтому будут работать практически вечно.

«Это действительно новое поколение тепловых машин, - утверждает Хереманс, профессор общего машиностроения и физики. – В 18-ом веке у нас были паровые двигатели, в 19-ом – двигатели внутреннего сгорания, в прошлом столетии мы обнаружили первые термоэлектрические материалы, а сейчас то же самое происходит и с ферромагнетиками». Данное исследование может способствовать созданию электронных устройств, которые будут перерабатывать часть собственного отработанного тепла в электричество.

Исследователи по всему миру занимаются разработкой электронных устройств, которые используют спин электронов для считывания и записи данных. Так называемая «спиновая электроника» настолько привлекательна, потому что может хранить больше информации, занимая меньше пространства, обрабатывать данные быстрее и потреблять меньше энергии. А спиновый эффект Зеебека расширяет представления о спиновой электронике за счет использования тепла, порождающего поток спиновой «информации», называемый «спиновым током».

В понимании того, как работает спиновый эффект Зеебека, ученые шагнули довольно далеко, однако множество деталей все еще остаются загадкой. Хотя с момента открытия этого эффекта сотрудниками университета Тохоку в 2008 году многим ученым удавалось его воспроизвести, единой теории все еще не существует. То же самое касается и гигантского спинового эффекта Зеебека. Тем не менее, исследователи из университета Огайо имеют несколько догадок по этому поводу.

Большинству людей известна концепция света как совокупности частиц под названием «фотоны». Тепло тоже можно представить таким образом, поэтому ученые дали частицам тепла схожее по звучанию название – фононы.

Ученые предполагают, что им удалось возбудить мощный поток фононов внутри полупроводника. Далее фононы столкнулись с электронами и сдвинули их, в то время как атомы в полупроводнике заставили электроны вращаться, передвигаясь по материалу – так, как пуля вращается в ружейном стволе.

Роберто Майерс, старший преподаватель кафедры материаловедения и машиностроения, отмечает, что ключом к успеху проводимых испытаний стал выбор подходящих материалов.

Ранее спиновый эффект Зеебека наблюдался лишь в магнитных полупроводниках и металлах. В этот раз ученые обратили внимание на немагнитные полупроводники, которые отличаются большим разнообразием. В итоге исследователи остановили свой выбор на антимониде индия; они добавили к нему другие вещества, затем изготовили опытный образец небольшого размера. Поскольку материал был немагнитный, ученым пришлось создать вокруг него магнитное поле и снизить температуру, чтобы поляризовать электроны.

«Недостатки технологии заключаются в необходимость поддерживать низкую температуру и сильное магнитное поле, - объясняет Майерс. – В данный момент эффект проявляется при температуре от 2 до 20 градусов Кельвина (от -271 до -253 градусов Цельсия) и внешнем магнитном поле в 3 тесла».

Тем не менее, когда температура одной стороны материала была повышена на 1 градус, напряжение на другой стороне составило 8 милливольт (1 милливольт – одна тысячная вольта). Ранее ученым удавалось достичь лишь 5 микровольт (1 микровольт – одна миллионная вольта), используя стандартный спиновый эффект Зеебека.

В настоящее время профессор Хереманс и его коллеги изучают другие материалы (магнитные и немагнитные) с целью расширения сферы применения новой технологии.

EnergyDaily, перевод с английского – Наталья Пристром

http://www.energy-daily.com/reports/Researchers_one_step_closer_to_new_kind_of_thermoelectric_heat_engine_999.html