Исследователи из Университета штата Огайо (США) нашли метод, способный радикально усилить спиновый эффект Зеебека, что увеличило бы эффективность получения электричества разработанной ими термопарой в миллион раз.

Эффект Зеебека, открытый почти 200 лет назад, состоит в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми имеют разную температуру.

Он важен для космических зондов, отправляющихся к отдаленным районам Солнечной системы и за её пределы, а также для различных термоэлектрических датчиков. Недавно исследователи из Университета штата Огайо нашли метод, способный сделать одну из разновидностей эффекта Зеебека радикально более эффективной.

Рис. 1. Спиновый эффект Зеебека, открытый в 2008 году, показал, что давний термоэлектрический эффект до сих пор не полностью исследован. (Иллюстрация Nature).

Главная проблема эффекта Зеебека в том, что разница температур, наблюдаемая в естественных условиях, слишком мала для выработки значимого количества энергии. Существует сходное явление спинового эффекта Зеебека (СЭЗ), открытое несколько лет назад. В нём металлический магнит, один конец которого холодный, а другой — горячий, является аналогом термопары в классическом эффекте Зеебека. Однако американские исследователи задумали нечто иное:

создать СЭЗ в немагнитном полупроводнике, помещённом во внешнее магнитное поле (3 Тл) при температурах от 2 до 20 К (несколько теплее жидкого водорода).

Выяснилось, что тогда возникает, как окрестили его исследователи, «гигантский спиновый эффект Зеебека» (ГСЭЗ).

Название не случайное. Обычно на градус разницы температур на концах термопары последняя вырабатывает несколько микровольт. А в случае ГСЭЗ — несколько милливольт. Но тысячекратный рост напряжения — отнюдь не всё. Мощность, снимаемая с термопары, по утверждениям учёных, поднялась в миллион раз.

Как вы догадались, ещё до окончания исследования явления коллектив подал заявку на изобретение: слишком уж разительно будет отличаться новый метод генерации электричества на разнице температур от известных термопар!

Рис. 2. Попытка визуализации гипотетического механизма гигантского спинового эффекта Зеебека: электроны закручиваются, и их траектория движения от горячего к холодному вследствие этого стабилизируется. (Иллюстрация Ohio State University).

Однако теоретический базис нового эффекта пока остаётся слабым местом. Попросту говоря, причины колоссального усиления спиновых термоэлектрических эффектов в случае немагнитных материалов неизвестны. Исследователи лишь осторожно предполагают, что наблюдается экстремальный случай фононного увлечения электронов, сопутствующего их предельно быстрому движению между концами такой термопары.

В результате столкновений с электронами фононы могут увлекать их за собой, и на холодном конце образца станет накапливаться отрицательный заряд (на горячем — положительный); происходить это будет до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой важную составляющую термоЭДС, которая при низких температурах может быть в десятки и сотни раз выше обычной.

Но вот беда: наблюдаемый гигантский спиновый эффект Зеебека даёт миллионократное увеличение ЭДС в термопаре! Вероятно, когда фононы увлекают электроны, свойства полупроводников заставляют электроны крутиться, что стабилизирует их траектории. Очень грубой аналогией такой стабилизации траекторий можно назвать закручивание пули в нарезном огнестрельном оружии по нарезам ствола, делающее возможным полёт неоперённой вытянутой пули без кувыркания.

Пока новый эффект зарегистрирован только в антимониде индия, допированном не называемыми разработчиками веществами. Увы, это не самый дешёвый материал, да и внешнее магнитное поле, при котором он работал, составило 3 Тл (как в аппарате МРТ), но исследователи отмечают: не существует препятствий, не позволяющих использовать эффект и на других полупроводниках и даже при несколько более высокой температуре.

Полупроводниковая база новых термопар может позволить применять их в виде обкладок в целом ряде областей, начиная с труб систем охлаждения и заканчивая термоэлектрическим теплоотводом. В таких «тепловых двигателях», как называют их первооткрыватели ГСЭЗ, не будет движущихся частей, и их деградация пойдёт не быстрее, чем у обычных полупроводников в устойчивом режиме работы. Иными словами, они смогут трудиться десятки лет. Относительная дешевизна полупроводников может позволить использовать их даже для подпитки компьютеров от их собственного тепла, ныне бесполезно рассеиваемого в пространстве и снижающего эффективность работы самого компьютера.

И даже в нынешнем виде, при низких температурах, новый вид термоэлектрического эффекта может найти применение в космосе: АМС работают бóльшую часть времени при температурах ниже 20 К, да и термоэлектрическое охлаждения им было бы небесполезно.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.