Генерация электричества из тепла, также известная как термоэлектрическое преобразование энергии, оказалась полезной для различных практических применений. Например, она доказала свою эффективность для производства энергии во время космических экспедиций и военных миссий в сложных условиях, а также для утилизации отработанного тепла, производимого промышленными предприятиями, электростанциями или даже транспортными средствами.
Успешное преобразование тепла в электричество основано на одном из двух различных эффектов, известных как эффект Зеебека и эффект Нернста. Эффект Зеебека возникает, когда два разнородных материала соединены в двух местах с разной температурой, что может генерировать электрический ток, протекающий по контуру. Эффект Нернста, напротив, предполагает возникновение поперечного напряжения в материале с температурным градиентом.
До сих пор эффект Нернста в основном демонстрировался в системах, нарушающих симметрию обращения времени, путём приложения внешнего магнитного поля или с использованием магнитных материалов. Однако недавние физические теории ввели идею о том, что нелинейный эффект Нернста (НЭН) может возникать в немагнитных материалах, принципиально в отсутствие внешнего магнитного поля.
Исследователи из Университета Фудань и Пекинского университета впервые реализовали эту идею в экспериментальных условиях. Их статья, опубликованная в Nature Nanotechnology, сообщает о наблюдении значительного нелинейного эффекта Нернста в форме трёхслойного графена, нарушающей инверсионную симметрию, известной как ABA-трёхслойный графен.
«Наше исследование было вдохновлено уникальными проблемами и возможностями в области термоэлектричества», — сказал Пан Хэ, соавтор статьи, в интервью Phys.org. «Традиционный эффект Нернста, термоэлектрическое явление, которое генерирует поперечное напряжение из температурного градиента, обычно требует нарушения симметрии обращения времени, часто с помощью магнитного поля. Это требование создаёт значительные трудности для миниатюризации и интеграции термоэлектрических устройств. Тем не менее недавно теоретические прогнозы предложили новый тип явления, называемый НЭН».
НЭН, как предполагалось, может возникать в немагнитных материалах без необходимости применения внешнего магнитного поля. Хотя это может иметь значительные преимущества для разработки устройств, которые могут преобразовывать тепло в электрическую энергию, этот эффект до сих пор было трудно реализовать экспериментально.
«Нашей основной целью было впервые экспериментально наблюдать этот эффект и подтвердить недавние теоретические прогнозы», — пояснил Хэ. «Чтобы наблюдать НЭН в немагнитном ABA-трёхслойном графене, нам сначала пришлось изготовить высококачественные устройства в виде «полосы Холла» с микроизготовленными нагревателями и термометрами для точного контроля и измерения локального температурного градиента на образце. Затем мы использовали низкочастотные измерения электрических гармоник при переменном тепловом градиенте для обнаружения нелинейного эффекта Нернста».
Хэ и его коллеги подали на нагреватель синусоидальный ток (то есть ток, который плавно и периодически меняет направление в соответствии с определённым шаблоном). Это вызвало температурный градиент в материале, который колебался с удвоенной его обычной частотой.
Исследователи обнаружили, что НЭН в конечном итоге проявлялся в виде четвёртой гармонической поперечной составляющей напряжения в материале, представляющей собой отклик второго порядка на температурный градиент, который они создали, в отличие от линейного отклика традиционного эффекта Нернста.
«Наша работа представляет собой первое экспериментальное наблюдение гигантского НЭН в немагнитном материале в отсутствие магнитного поля», — сказал Хэ. «Мы измерили гигантский эффективный коэффициент Нернста до 300 мкВ/К при 2 К в ABA-трёхслойном графене, что примерно на два порядка больше, чем самые высокие значения, зарегистрированные в магнитных материалах в отсутствие магнитного поля».
Первое наблюдение командой НЭН в трёхслойном графене без необходимости использования внешнего магнитного поля может иметь различные практические последствия. В частности, оно предлагает альтернативное решение для получения термоэлектрической энергии без использования магнитных материалов или внешних магнитных полей. В будущем экспериментальные методы команды могут быть использованы для разработки более компактных термоэлектрических устройств, которые можно будет использовать в различных реальных условиях.
«Наша работа открыла несколько интересных направлений для будущих исследований», — сказал Хэ. «Основной целью является распространение НЭН от наших низкотемпературных наблюдений (ниже 12 К) до комнатной температуры, что важно для более широкого практического применения. Мы планируем изучить другие материалы, сохраняющие инвариантность относительно обращения времени и не имеющие центральной симметрии, которые могут проявлять этот эффект при более высоких температурах и по другим механизмам».
В рамках своих следующих исследований Хэ и его коллеги планируют оптимизировать НЭН, который они наблюдали. Кроме того, они хотели бы попытаться модулировать этот эффект с помощью внешних магнитных полей.
«В конечном итоге мы стремимся реализовать НЭН в трёхмерных объёмных материалах, чтобы преодолеть ограничения двумерных систем», — добавил Хэ.