Волшебство магнонов: свойства материалов изменяются нетермическим путём с помощью света и магнонов
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи сообщают о первом экспериментальном наблюдении поперечного эффекта Томсона — ключевого термоэлектрического явления, которое ускользало от учёных с момента его предсказания более века назад.
Термоэлектрические эффекты: основа понимания связи между теплом и электричеством
Более века термоэлектрические эффекты лежат в основе понимания физиками связи между теплом и электричеством. Наши знания о том, как тепло и электричество взаимодействуют в материалах, основаны на эффектах Зеебека, Пельтье и Томсона, открытых в XIX веке.
Эффект Томсона вызывает объёмный нагрев или охлаждение, когда электрический ток и температурный градиент протекают в одном направлении через проводник. Учёные давно предполагали, что должна существовать поперечная версия этого эффекта, когда электрический ток, температурный градиент и магнитное поле прикладываются в ортогональных направлениях в проводнике.
Экспериментальное наблюдение поперечного эффекта
Исследовательская группа под руководством Ацуши Такахаги из Университета Нагоя и Кен-ичи Учида из Токийского университета продемонстрировала существование поперечного эффекта.
«Меня глубоко мотивировал термоэлектрический эффект, который привлёк внимание как технология сбора энергии и управления теплом», — сказал Такахаги Phys.org.
Поперечный эффект Томсона было чрезвычайно трудно наблюдать экспериментально из-за помех со стороны конкурирующих тепловых эффектов, таких как эффекты Пельтье и Эттингсхаузена. Чтобы преодолеть проблему изоляции сигнала, исследовательская группа предложила использовать передовые термоэлектрические методы визуализации для наблюдения и характеристики явления. Их метод основан на синхронной термографии.
«В нашем эксперименте мы использовали инфракрасную камеру для наблюдения за тепловой реакцией образца при подаче периодического электрического тока», — объяснил Учида.
Выделение термоэлектрических сигналов
«Извлекая компонент модуляции температуры, который колеблется с той же частотой, что и приложенный ток, из полученных тепловых изображений, мы смогли изолировать термоэлектрические сигналы от джоулева нагрева», — добавили исследователи.
Поворотным моментом стало признание того, что пространственное распределение поперечного эффекта Томсона отличается от других конкурирующих эффектов. Команда провела измерения в двух условиях: с температурным градиентом и без него. Затем они вычли результаты, чтобы выделить чистый поперечный сигнал Томсона.
Исследователи выбрали для экспериментов сплав висмута и сурьмы (Bi88Sb12), материал, известный своим сильным эффектом Нернста при комнатной температуре.
Открытие новых возможностей для технологий управления теплом
Это открытие открывает новые возможности для технологий управления теплом, особенно в приложениях, требующих точного, локализованного контроля тепла.
«В последние годы сообщалось, что традиционный эффект Томсона может повысить производительность охлаждения Пельтье», — отметил Такахаги.
«Аналогично, ожидается, что поперечный эффект Томсона послужит основой для улучшения производительности поперечных термоэлектрических охлаждающих устройств», — добавил он.
Изменение свойств материалов с помощью света и магнонов
Физики из Университета Констанца успешно изменили свойства материала нетермическим путём с помощью света и магнонов. Новый процесс обещает быть перспективным не только для информационных технологий, но, возможно, и для квантовых исследований — при комнатной температуре.
Представьте, что вы можете изменить свойства материала так, чтобы он почти магическим образом превратился в другой материал. Для этого не нужны ни волшебная палочка, ни чудодейственное зелье. Процесс происходит просто с помощью света, который возбуждает магнитные состояния материала.
Таким образом, в материале индуцируются коллективные магнитные колебания, передающие и хранящие информацию на терагерцовых частотах. Процесс протекает при комнатной температуре без значительного выделения тепла. Не требуются и экзотические материалы, такие как редкоземельные элементы, поскольку процесс наблюдался в естественно выращенных кристаллах, которые широко доступны.
И вдобавок ко всему: представьте, что вы можете использовать тот же метод для использования квантовых эффектов — тех высокочувствительных процессов, которые до сих пор обычно исследовались при низких температурах около -270 градусов Цельсия. И вы могли бы сделать это при комнатной температуре без необходимости дорогостоящего охлаждения. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Тем не менее, именно это делает возможным новый экспериментальный метод, разработанный физиками из Университета Констанца под руководством Давиде Боссини.
Использование магнонов для передачи и хранения информации
Учёные уже давно предлагают использовать спины электронов в качестве носителей информации, а точнее — целые спиновые волны, в которых колеблются сотни триллионов спинов. Такие коллективные спиновые возбуждения называются магнонами и ведут себя как волна. С помощью лазеров на них можно влиять, а значит, и «контролировать». Это может позволить в будущем передавать и хранить информацию в терагерцовом диапазоне.
Однако есть нюанс: пока учёным удавалось возбуждать магноны только в состоянии их наименьших частот с помощью света. В результате процесс не раскрывает весь свой потенциал. Для технологического использования магнонов необходимо научиться влиять на их частоту, амплитуду и время жизни.
Исследовательская группа из Констанца под руководством Давиде Боссини нашла многообещающий способ сделать это. Удивительно, но контроль достигается за счёт прямого оптического возбуждения пар магнонов, которые являются магнитными резонансами с наивысшей частотой в материале.
«Результат стал для нас огромной неожиданностью. Ни одна теория этого не предсказывала», — говорит Давиде Боссини.
Процесс не только работает, но и имеет впечатляющие эффекты. Воздействуя на пары магнонов с высокой частотой с помощью лазерных импульсов, физикам удалось изменить частоты и амплитуды других магнонов — а значит, и магнитные свойства материала — нетермическим путём.
«Каждый твёрдый материал имеет свой набор частот: электронные переходы, колебания решётки, магнитные возбуждения. Каждый материал резонирует по-своему», — объясняет Боссини. Именно на этот набор частот можно влиять с помощью нового процесса.
«Он меняет природу материала, «магнитное ДНК материала», его «отпечаток пальца». На время материал практически становится другим материалом с новыми свойствами», — говорит Боссини.
«Эффекты вызваны не лазерным возбуждением. Причина — свет, а не температура», — подтверждает Боссини. «Мы можем изменить частоты и свойства материала нетермическим путём».
Для процесса не требуются ни впечатляющие высокотехнологичные материалы, ни редкоземельные элементы. В основе процесса лежат естественно выращенные кристаллы, а именно железная руда гематит.
«Гематит широко распространён. Много веков назад его уже использовали для компасов в мореплавании», — объясняет Боссини. Вполне возможно, что в будущем гематит будет использоваться и для квантовых исследований.
Результаты команды из Констанца позволяют предположить, что с помощью нового метода исследователи смогут создавать индуцированные светом бозе-эйнштейновские конденсаты высокоэнергетических магнонов при комнатной температуре. Это проложит путь к исследованию квантовых эффектов без необходимости обширного охлаждения. Звучит как волшебство, но это всего лишь технологии и передовые исследования.