|
Открыт гигантский спиновый эффект Зеебека
|
|
12 июля 2012 года, 16:12 | Текст: Александр Березин
|
|
|
|
Исследователи из Университета штата Огайо (США) нашли метод, способный радикально усилить спиновый эффект Зеебека, что увеличило бы эффективность получения электричества разработанной ими термопарой в миллион раз.
|
|
|
|
Эффект Зеебека, открытый почти 200 лет назад, состоит в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру. Он важен для космических зондов, отправляющихся к отдаленным районам Солнечной системы и за её пределы, а также для различных термоэлектрических датчиков. Недавно исследователи из Университета штата Огайо нашли метод, способный сделать одну из разновидностей эффекта Зеебека радикально более эффективной
|
|
|
|
Главная проблема эффекта Зеебека в том, что разница температур, наблюдаемая в естественных условиях, слишком мала для выработки значимого количества энергии. Существует сходное явление спинового эффекта Зеебека (СЭЗ), открытое несколько лет назад. В нём металлический магнит, один конец которого холодный, а другой — горячий, является аналогом термопары в классическом эффекте Зеебека. Однако американские исследователи задумали нечто иное: создать СЭЗ в немагнитном полупроводнике, помещённом во внешнее магнитное поле (3 Тл) при температурах от 2 до 20 К (несколько теплее жидкого водорода).
|
|
|
|
Выяснилось, что тогда возникает, как окрестили его исследователи, «гигантский спиновый эффект Зеебека» (ГСЭЗ).
|
|
|
|
Название не случайное. Обычно на градус разницы температур на концах термопары последняя вырабатывает несколько микровольт. А в случае ГСЭЗ — несколько милливольт. Но тысячекратный рост напряжения — отнюдь не всё. Мощность, снимаемая с термопары, по утверждениям учёных, поднялась в миллион раз. Как вы догадались, ещё до окончания исследования явления коллектив подал заявку на изобретение: слишком уж разительно будет отличаться новый метод генерации электричества на разнице температур от известных термопар!
|
|
|
|
|
|
Однако теоретический базис нового эффекта пока остаётся слабым местом. Попросту говоря, причины колоссального усиления спиновых термоэлектрических эффектов в случае немагнитных материалов неизвестны. Исследователи лишь осторожно предполагают, что наблюдается экстремальный случай фононного увлечения электронов, сопутствующего их предельно быстрому движению между концами такой термопары. В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать их за собой, и на холодном конце образца станет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный); происходить это будет до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой важную составляющую термоЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз выше обычной.
|
|
|
|
Но вот беда: наблюдаемый гигантский спиновый эффект Зеебека даёт миллионократное увеличение ЭДС в термопаре! Вероятно, когда фононы увлекают электроны, свойства полупроводников заставляют электроны крутиться, что стабилизирует их траектории. Очень грубой аналогией такой стабилизации траекторий можно назвать закручивание пули в нарезном огнестрельном оружии по нарезам ствола, делающее возможным полёт неоперённой вытянутой пули без кувыркания.
|
|
|
|
Пока новый эффект зарегистрирован только в антимониде индия, допированном не называемыми разработчиками веществами. Увы, это не самый дешёвый материал, да и внешнее магнитное поле, при котором он работал, составило 3 Тл (как в аппарате МРТ), но исследователи отмечают: не существует препятствий, не позволяющих использовать эффект и на других полупроводниках и даже при несколько более высокой температуре.
|
|
|
|
Полупроводниковая база новых термопар может позволить применять их в виде обкладок в целом ряде областей, начиная с труб систем охлаждения и заканчивая термоэлектрическим теплоотводом. В таких «тепловых двигателях», как называют их первооткрыватели ГСЭЗ, не будет движущихся частей, и их деградация пойдёт не быстрее, чем у обычных полупроводников в устойчивом режиме работы. Иными словами, они смогут трудиться десятки лет. Относительная дешевизна полупроводников может позволить использовать их даже для подпитки компьютеров от их собственного тепла, ныне бесполезно рассеиваемого в пространстве и снижающего эффективность работы самого компьютера.
|
|
|
|
И даже в нынешнем виде, при низких температурах, новый вид термоэлектрического эффекта может найти применение в космосе: АМС работают бoльшую часть времени при температурах ниже 20 К, да и термоэлектрическое охлаждения им было бы небесполезно.
|
|
|
|
http://science.compulenta.ru/693617/
|
