mile米乐m6官网世界首次成功直接观测到“磁汤姆逊效应”

-致力于开发与热、电、磁转换现象相关的新物理性质和功能-

摘要

NIMS与AIST合作，在世界上首次成功直接观察到“磁汤姆逊效应”，即电流通过不同温度的导体时发生的吸热和发热（汤姆逊效应）根据磁场而变化的现象。这项研究预计将带来控制热能的新功能和技术，以及与热、电、磁转换现象相关的基础物理和材料科学的进一步发展。
汤姆逊效应长期以来一直被认为是金属和半导体中的基本热电效应之一，与塞贝克效应和珀尔帖效应一起作为热电转换技术被广泛研究。然而，尽管经过多年的研究已经阐明了磁场和磁力对塞贝克效应和珀尔帖效应的影响，但由于测量和评估的困难，关于汤姆逊效应如何依赖于磁场和磁力的研究至今尚未取得进展。
这次是NIMS领导的研究团队锁定热成像法⁽¹⁾的热测量技术，我们精确测量了在施加温差和磁场的情况下电流流过导体时发生的吸热和吸热现象。结果，观察到导体中发生的吸热和发热与温差和电流成比例，并且通过施加磁场增强了伴随的温度变化（图1）。通过系统测量，我们证明了观察到的吸热和放热信号的磁场依赖性源自磁汤姆逊效应。研究表明，本实验中使用的铋锑（BiSb）合金中的磁汤姆逊效应表现出极大的热电势，其输出可与塞贝克效应和珀耳帖效应相媲美。

图1 汤姆逊效应和磁汤姆逊效应概念图
这项研究阐明了磁汤姆逊效应的基本性质，并建立了其测量和评估技术。未来，我们将继续探索磁汤姆逊效应的物理、材料和功能，为提高电子设备的效率和节能做出贡献。热管理技术⁽²⁾开发应用程序并观察热、电、磁相互作用所带来的新物理现象。
这项研究由 NIMS 磁性和自旋电子材料研究中心自旋能源组组长 Kenichi Uchida、高级研究员 Ryo Iguchi、JSPS 特别研究员 Asuka Miura 和 AIST 能源效率研究所热电材料组高级研究员 Masayuki Murata 进行。这项研究主要作为JSPS科学研究补助金科学研究补助金（B）（19H02585）、JST战略创意研究推进项目CREST（JPMJCR17I1）和NEDO领先研究计划未探索的挑战2050（P14004）的一部分进行。这项研究结果发表在美国物理学会的学术期刊``物理评论信该论文还被选为该杂志的编辑建议。

研究背景

热电效应允许热能和电能相互转换。能量收集技术⁽³⁾是啊电子冷却技术⁽⁴⁾的工作原理多年来一直在积极研究。这些技术主要由塞贝克效应（产生与温差成正比的电压）和珀耳帖效应（产生与电流成正比的吸热和发热）驱动。汤姆逊效应是电流通过不同温度的导体时发生吸热或发热的现象，由英国物理学家威廉·汤姆逊（开尔文勋爵）于1851年发现。汤姆逊效应产生的吸热和发热与所施加的温差和电流成正比，并且与需要两种材料接合的塞贝克效应和珀耳帖效应不同，汤姆逊效应的热电转换仅使用单一材料进行。然而，虽然有时用汤姆逊效应作为判断塞贝克效应性能的辅助手段，但无论是基础研究还是应用研究都鲜有研究报道。

除了塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应之外，在施加磁场的导电材料和磁化磁性材料中还会出现各种热电效应（图 2）。磁场和磁力 (旋转⁽⁵⁾) 的属性来创建新的物理原理和功能的学术领域是自旋热电学⁽⁶⁾自旋热电子学是自2008年以来快速发展的一个领域，迄今为止的研究已经从实验和理论角度研究了各种热流-电流转换现象。另一方面，磁场和磁力对汤姆逊效应的影响至今尚未明确，测量和评估汤姆逊效应的方法也尚未完全建立。

图2 热、电、磁相互作用产生的热电效应典型示例
塞贝克效应和珀耳帖效应是线性响应现象，产生与输入成正比的输出，但与温差和电流成正比的汤姆逊效应可归类为非线性热电效应。迄今为止，自旋热电子学领域已经研究了磁化和自旋带来的各种线性响应现象，但尚未见关于非线性热电转换的实验研究报道。

研究内容和结果

小组领导内田和他的同事在世界上首次成功地直接观察到“磁汤姆逊效应”，这是一种在施加磁场的导体中调制汤姆逊效应性能的现象。在这项研究中，为了观察磁汤姆逊效应，我们使用了 BiSb 合金样品，已知其塞贝克效应强烈依赖于磁场。通过将 BiSb 合金加工成棒状，并在中心安装加热器，我们创造了一种在样品的 A 区和 B 区之间温度梯度方向相反的情况，如图 1 所示。当向该样品施加电流时，如果发生汤姆逊效应，则 A 区和 B 区将出现相反符号的温度变化。如果由外部磁场改变由汤姆逊效应引起的温度变化，则说明了磁汤姆逊效应。

在本实验中，我们通过使用称为锁定热成像的热成像技术测量电流通过 BiSb 合金样品时的温度分布来观察磁汤姆逊效应（图 3(a)）。为了证明磁汤姆逊效应的存在，有必要将汤姆逊效应引起的温度变化与其他热电效应（见图2）和焦耳热引起的背景信号分开，但传统的热成像方法测量的是这些信号的叠加。另一方面，在锁定热成像方法中，使用红外相机测量样品表面的温度分布，同时向样品施加周期性变化的电流。傅立叶分析⁽⁷⁾有选择地仅提取随时间变化且频率与电流相同的温度变化，可以仅可视化源自热电效应的信号（图 3(a)、(d)）。当温度梯度和电流同时施加到样品时，会产生源自汤姆逊效应的信号，而源自其他热电效应的信号即使在没有温度梯度的情况下也会产生。因此，通过测量观察到的热图像的加热器输出依赖性，可以准确地评估汤姆逊效应的贡献。使用这种方法，我们详细测量和评估了 BiSb 合金样品中因施加磁场而发生的温度变化。

实验结果表明，在 BiSb 合金样品中，在正温度梯度的区域 A 和负温度梯度的区域 B 中观察到符号反转的吸热和放热信号（图 3(b)）。吸热/放热信号的这种符号反转与图1示意性示出的汤姆逊效应的行为一致，并且还满足吸热/放热信号的幅度与温度梯度和电流成正比的特性，表明可以使用锁定热成像方法来测量汤姆逊效应。当我们在施加磁场的同时进行类似的测量时，我们发现源自汤姆逊效应的吸热和放热信号显着增加，如图 3(c) 所示。在09 T的磁场下，汤姆逊效应的增强达到90%以上（图3（e）），表明在BiSb合金中，磁性汤姆逊效应的贡献与不依赖于磁场的成分一样大。

图 3

图3 使用锁定热成像方法对磁汤姆逊效应进行热成像测量
(a) 锁定热成像测量的概念图。 (b)、(c) BiSb合金样品中汤姆逊效应的测量结果。锁定幅度图像表示源自汤姆逊效应的温度变化信号的幅度，锁定相位图像表示其符号。施加磁场会增加锁定幅度图像中的温度变化。 (d) 当方波交流电通过样品时汤姆逊信号发生的时间变化。仅提取与电流以相同频率波动的温度变化的结果作为锁定幅度和相位图像输出。 (e) BiSb 合金样品中汤姆逊信号的磁场依赖性。

未来发展

磁汤姆逊效应的首次观测有望促进热电学和自旋热电子学领域基础科学和应用技术的进一步发展。迄今为止，汤姆逊效应的应用还受到限制，但现在发现磁性汤姆逊效应表现出与传统热电效应（塞贝克效应和珀耳帖效应）相当的大输出，这可能会导致通过热、电和磁相互作用带来新的热能控制技术的诞生。

基础科学的一项重要发展是建立了一种通用、可靠且可重复的测量方法，用于评估汤姆逊效应及其对磁场和磁化强度的依赖性。在这项研究中，我们观察到了当外部磁场施加到非磁性导体上时发生的磁汤姆逊效应，但如图2所示，在自旋热电子学领域中仍然存在尚未观察到或探索的物理现象，预计磁性材料及其复合结构中将出现依赖于磁化和自旋的汤姆逊效应。通过充分利用我们已建立的测量和评估技术，我们将继续探索新的自旋热电子学现象并演示基于它们的热电转换功能。

已发表的论文

标题：磁汤姆逊效应的观察
作者：Ken-ichi Uchida、Masayuki Murata、Asuka Miura 和 Ryo Iguchi
杂志：物理评论信
发布日期和时间：东部时间 2020 年 9 月 2 日上午 10:00（日本时间 9 月 2 日 23:00）

术语表

(1) 锁定热成像法: 热成像方法的一种，主要用于分析集成电路的工作情况和缺陷。锁定热成像方法使用红外热像仪在向样品施加周期性变化的电流的同时测量表面温度分布，并通过选择性地仅提取与电流频率相同的随时间变化的温度变化来实现高灵敏度热成像。近年来，它还被用于自旋热电子学和热电转换的基础研究。[返回来源]
(2)热管理技术: 通过控制或有效利用热能来节省能源和提高效率的技术的总称。目标范围广泛，从电子设备和汽车到 IT 和家庭，其重要性近年来不断增加，特别是随着电子设备变得更小、更复杂。[返回来源]
(3) 能量收集技术: 将我们周围的少量能量（例如废热、体温、阳光、室内光、振动和电磁波）转化为电能的技术的总称。也称为能量收集技术。预计将作为物联网和小型IT设备的独立电源应用。特别是，利用热电效应的发电元件已被实际应用为智能手表和用于加热的无动力风扇的电源。[返回来源]
(4)电子冷却技术: 利用热电效应（主要是珀耳帖效应）的冷却技术的总称。在我们熟悉的情况下，它被用作小型冰箱、颈部冷却器，甚至 PCR 测试中使用的热循环仪的温度调节元件。[返回来源]
(5) 旋转: 电子的性质，例如旋转，称为自旋。自旋是磁性的来源，自旋沿一个方向排列的材料会成为磁铁（磁性材料）。[返回来源]
(6) 自旋热电学: 一个研究领域，开发有关自旋与电流/热流之间相互作用的新物理原理和工程应用。自2008年在日本发现一种被称为自旋塞贝克效应（即热流产生自旋流）的物理现象以来，这一研究领域在世界范围内迅速发展。[返回来源]
(7) 傅里叶分析: 狭义上是指从原始信号中只提取出以某一频率振动的成分的分析方法。[返回来源]

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