Термоэлектрический преобразователь на основе обратного спинового эффекта Холла.
Хотя такая идея может показаться надуманной, тем не менее уже сейчас достигнут значительный прогресс в создании таких устройств. Исследователи научно-исследовательской лаборатории наноструктурных материалов в Университете штата Юта изготовили тонкую пленку, работающую на принципах спинтроники, которая может преобразовывать тепловой градиент в электроэнергию. "Наши спинтронные термоэлектрические устройства работают при комнатной температуре и не требуют приложения внешнего магнитного поля", утверждают разработчики.
Самым важным и интересным аспектом этого исследования является то, что это устройство создано не из традиционных термоэлектрических материалов, которые при нагревании, создают напряжение из-за движения носителей заряда. Этот эффект, называемый эффектом Зеебека, имеет фундаментальное ограничение. В частности, для достижения эффективности преобразования тепла в электроэнергию, которая являются приемлемой для практического применения, электропроводность термоэлектрического материала должен быть максимальной, а его теплопроводность должна быть одновременно свести к минимуму. Эти два требования противоречат друг другу.
Представленное устройство функционирует на базе совершенно иной концепции, известной как spin-caloritronics. Здесь тепловой и электрической транспорт происходит в разных частях устройства и, следовательно, такое устройство не страдает от проблем, с которыми сталкиваются традиционные преобразователи.
Для изготовления спинтроного термоэлектрического преобразователя, исследователи из Юты напылили тонкие пленки висмут-легированного железо иттриевого граната (Bi-ЖИГ) используя 25 наносекундный импульсный лазер. Поверх слоя Bi-ЖИГ был напылён слой платины толщиной 10 нм, который наносился с помощью электронно-лучевого напыления. Подготовленная двухслойная структура находилась в магнитном поле в течение нескольких минут, чтобы намагнитить слой Bi-ЖИГ. После этого внешнее магнитное поле выключали и прикладывали температурный градиент перпендикулярно слоям. Разница температур приводит к возбуждению в Bi-ЖИГ коллективных колебаний локализованных спинов, называемых так же магнонами. Когда поток магнонов достигает слоя платины, он преобразуется в электрическое напряжение через процесс известный как обратный спиновый эффекта Холла.
Исследователям пришлось создать сильную шероховатость на поверхности пленок Bi-YIG с помощью лазерных импульсов очень высокой плотности энергии. Шероховатая поверхность существенно увеличивает магнитную коэрцитивную силу в пленке. Из-за большой коэрцитивной силы устройство, однажды намагниченное, остаётся таковым впоследствии и не требует приложения внешнего магнитного поля. Экспериментальные данные работы хорошо согласуются с предсказаниями теории магнонного транспорта.
Схематическое представление экспериментальной установки
для измерения спинового эффекта Зеебека.
Электрическое напряжение как функция приложенного магнитного поля для различных градиентов температуры. Зависимости получены при температуре 300 K.