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我科学家提出的谷能斯特效应被法国科学家实验证实

时间:2020-03-15 14:33:31 作者: 来源:51区未解之谜网 手机阅读
最近,法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的马蒂厄·贾迈特(Mathieu Jamet)的研究团队通过一项精密的实验,清楚地观察到了单层钨二硒化物中的格伦能斯特效应,证实了中国科学院大学苏刚研究团队2015年给出的理论预测。实验结果与理论预测值吻合良好,在未来热电转换器件的大规模应用中具有很大的发展潜力

能斯特效应是一种横向热电效应,指的是当温度梯度和垂直于温度梯度的外部磁场同时施加在导体或半导体材料上时,在垂直于温度梯度和外部磁场的方向上可以感应出电场的效应这种效应是由瓦尔特·赫尔曼·能斯特和阿尔伯特·冯·艾丁豪森在1886年发现的,通常被称为能斯特-艾丁豪森效应。它在半导体、高温超导体、热电转换等领域有着重要的应用,是传统凝聚态物理教材的内容之一。如果材料是铁磁性体,即使没有外部磁场,由于自发磁化,当施加垂直于铁磁性体自发磁化方向的温度梯度时,将在垂直于自发磁化和温度梯度的方向上产生横向电流,这被称为异常能斯特效应。

一般来说,反常能斯特效应比正常能斯特效应大得多,其物理来源于三种散射机制,即斜散射、侧跳和本征机制前两种属于外来机制,是由杂质散射引起的。内在机制是由能带本身的非平凡拓扑结构,即能带的贝里曲率引起的,它在动量空间中充当有效磁场。

谷能斯特效应示意图

带电子在某些材料中除了电荷和自旋自由外还有谷自由由于不同的贝里曲率,这些波谷中的电子具有不同的手性2015年,中国科学院的苏刚教授、朱正刚教授和博士生于与数据传输单元的Jauho教授一起,研究了单层过渡金属硫族化物中的自旋能斯特效应,并提出了一种新的效应——古纳恩斯特效应。这篇论文发表后,引起了国内外同仁的极大兴趣。

格兰斯特效应描述了在纵向温度梯度的驱动下,K能谷和-K能谷的载流子由于其不同的手性,在贝里曲率的作用下,将向垂直于温度梯度的方向偏转,从而产生横向能谷流(见图1)此外,当上述二维材料放置在具有磁化的材料上时,能量谷的简并被消除如果此时费米能位于适当的位置,温度梯度会引起单能谷和单自旋的横向电流,即单能谷和单自旋电流。该研究小组设计并提出了一种拓扑能量转换器,即自旋电子电池。新电池被设计成H型。在一个臂中,温度梯度用于产生横向自旋流,然后将其注入另一个臂。反向自旋霍尔效应用于将自旋流转换成电荷电压,从而输出电能。人们预计不久将能够根据新的实验原理生产这种自旋电子电池。法国的

Jamet等研究人员采用外延生长法在石墨烯-碳化硅衬底上制备了高质量的单层和多层二硒化钨。为了消除能谷的简并性,引入镍铁合金层,通过铁磁谐振自旋泵技术将单个自旋泵泵入钨二硒化物层,从而建立K和-K能谷负载粒子的非平衡分布,然后在横向产生可观察到的电压。它们的测量结果不仅与苏刚、朱正刚和俞的理论预测一致,而且由于能斯特系数巨大,在实际热电转换器件的大规模应用中具有很大的发展潜力。

普通热电装置利用纵向热电效应,但是它们的热电转换效率受到热电同时调节的困难的限制。如果使用横向热电效应,由于电流和热流位于垂直方向,因此有望实现热电的协调调节。此外,横向装置可制成大型装置,有利于挂在墙壁、屋顶等,对余热利用具有重要意义事实上,利用横向反常能斯特效应的热电装置现在已经开始在实验室中进行探索。如何利用巨大的能量格兰斯特系数实现高效的热电转换将是一个有趣的研究方向。

二维过渡金属硫属化物材料中非线性能斯特效应的示意图

最近,由湖南大学副教授苏刚、朱正刚、俞、明尼苏达大学的托尼·洛和德国德累斯顿理论固体物理研究所的朱希时友组成的联合研究小组提出了另一种新的效应——非线性能斯特效应。一般来说,当材料中存在时间反转对称性时(这在非磁性材料中经常得到满足),净横向电荷流不能由温度梯度驱动,即能斯特电流将消失。联合研究小组进一步发现,消失的是线性能斯特效应如果对称破缺在材料中空间反转,温度梯度会在横向产生非线性反常能斯特电流,该电流与温度梯度的平方成正比,即非线性能斯特效应。这种非线性效应的物理根源来自动量空间中非平凡Berry曲率的对称结构和带对称结构的不一致性,这不能归因于Jyberg曲率的偶极矩。联合研究小组详细计算了单层二硫化钼材料在应力下的情况,表明非线性效应确实存在,并期待后续实验的验证。这项工作以时事通讯的形式发表在《物理评论》上

该研究结果不仅为能斯特效应家族增加了新成员,使能斯特效应家族的理论基础(即能斯特效应、反常能斯特效应、自旋能斯特效应、格伦能斯特效应和非线性能斯特效应)更加完善,而且为热电转换技术提供了新的机制,有望为器件余热的再利用提供新思路。热电器件具有体积小、可靠性高、无传输元件、无噪声、无污染等优点。是实现能源再利用的重要途径之一

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