Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

غالبًا ما يُنظر إلى الحرارة والكهرباء كشريكين يتحركان معًا في الاتجاه نفسه. فعندما تسخن أحد طرفي قضيب معدني، تتدفق الكهرباء من الجانب الساخن إلى الجانب البارد. ولكن هناك خدعة خاصة في الفيزياء حيث يمكن إجبار الحرارة والكهرباء على التحرك بزوايا قائمة بالنسبة لبعضهما البعض، مثل نهر يتدفق جانبًا عندما تهب الرياح عبره. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تأثير نيرنست" (Nernst effect)، هي أداة قوية لتحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء مفيدة دون الحاجة إلى آلات ضخمة. لقد فهم العلماء منذ زمن طويل طريقتين رئيسيتين لحدوث ذلك: تعتمد إحداهما على مغناطيس خارجي يدفع الإلكترونات، وتعتمد الأخرى على النظام المغناطيسي الداخلي للمادة نفسها. ولسنوات طويلة، كان الاعتقاد السائد هو أن النسخة الداخلية من هذا التأثير ستتلاشى بمجرد أن تفقد المادة مغناطيسيتها الدائمة، وهو ما يحدث عند درجة حرارة محددة تسمى "درجة حرارة كوري" (Curie temperature). وإذا اختفى النظام المغناطيسي، كان من المتوقع أن يختفي معه التأثير أيضًا.

لقد تحدى فريق من الباحثين في المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان وجامعة طوكيو هذا الافتراض الذي ساد لفترة طويلة. فمن خلال دراسة عائلة محددة من المواد المكونة من المنجنيز والكروم والأنتيمون، اكتشفوا أن تأثير نيرنست لا يتوقف ببساطة بمجرد أن تفقد المادة مغناطيسيتها الدائمة. بل على العكس، يصبح هذا التأثير في أقوى حالاته تمامًا حول درجة الحرارة التي ينهار عندها النظام المغناطيسي. ووجد الباحثون أنه بينما تتلاشى الإشارات المغناطيسية المعتادة تمامًا عند هذه النقطة الحرجة، فإن هناك إشارة مختلفة أخرى مدفوعة بالحركة الفوضوية والمتذبذبة لللفات الذرية (spins) تظل قوية. يشير هذا الاكتشاف إلى أن الحركة المضطربة والمتمايلة لللفات في حالة غير منظمة يمكنها دفع توليد الكهرباء بفعالية تماثل تلك التي يوفرها مجال مغناطيسي صلب ومنظم.

ولإيجاد هذا السلوك الخفي، صنع الفريق سلسلة من العينات متعددة البلورات بالصيغة الكيميائية Mn1-aCraSb، حيث تم تعديل كمية الكروم بدقة لتغيير درجة الحرارة التي تفقد عندها المادة مغناطيسيتها. وقد قاموا بتخليق هذه المواد عن طريق صهر عناصر عالية النقاء معًا، ثم طحنها لتصبح مسحوقًا، وضغطها في قضبان صلبة باستخدام تقنية تسمى "التلبيد بالبلازما الشرارية" (spark plasma sintering). كانت القضبان الناتجة ذات بنية سداسية وخالية من الشوائب غير المرغوب فيها، وتراوحت درجات حرارة كوري فيها بين حوالي 295 كلفن و480 كلفن اعتمادًا على محتوى الكروم. ثم شرع الباحثون في قياس تأثير نيرنست، لكنهم واجهوا تحديًا: فقياس هذا التأثير مباشرة في كتلة صلبة أمر صعب لأن الحرارة يمكن أن تتسرب عبر المادة بطرق مربكة. ولحل هذه المشكلة، استخدموا طريقة غير مباشرة ذكية تسمى "التصوير الحراري بالتردد المنخفض" (lock-in thermography). فبدلاً من قياس الكهرباء مباشرة، مرروا تيارًا كهربائيًا عبر العينة مع تطبيق مجال مغناطيسي، مما تسبب في تسخين العينة بنمط محدد نتيجة لتأثير مرتبط به يسمى "تأثير إيتينغهاوزن" (Ettingshausen effect). ومن خلال استخدام كاميرا تعمل بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة موجات الحرارة على سطح العينة، استطاعوا حساب قوة تأثير نيرنست بدقة دون تداخل من الضوضاء الحرارية الأخرى.

كانت النتائج مفاجئة وواضحة. فبينما كانوا يسخنون العينات، راقب الباحثون كيف تتغير إشارة نيرنست. في المواد المغناطيسية التقليدية، تنخفض الإشارة إلى الصفر تمامًا عندما تتوقف المادة عن كونها مغناطيسية. ومع ذلك، في عينات المنجنيز والكروم والأنتيمون هذه، لم تتلاشَ إشارة نيرنست؛ بل ظلت موجودة حتى مع انتقال المادة من الحالة المغناطيسية إلى الحالة غير المغناطيسية. وفي الواقع، أظهرت الإشارة ذروة متميزة تمامًا حول درجة حرارة كوري. وفي الوقت نفسه، قاس الباحثون "المقاومة هول الشاذة" (anomalous Hall resistivity)، وهي خاصية تتبع عادةً تأثير نيرنست بدقة في المواد المغناطيسية. بيد أن هذه الخاصية انخفضت إلى الصفر تمامًا عند درجة حرارة كوري، كما هو متوقع تمامًا. خلق هذا التباين لغزًا: فقد كان تأثير نيرنست لا يزال حيًا ونشطًا، بينما اختفى المحرك المغناطيسي المعتاد له.

استبعد الفريق عدة تفسيرات شائعة لهذا الشذوذ. فقد نظروا فيما إذا كانت جزيئات مغناطيسية صغيرة تسمى "الماجنونات" (magnons)، والتي تنقل الحرارة ولكن لا تنقل الكهرباء، هي التي تسحب التأثير خلفها، لكن الحسابات أظهرت أن تأثير الماجنونات يزول عند درجات الحرارة المرتفعة هذه. كما بحثوا في احتمالية وجود أنسجة مغناطيسية غريبة أو هياكل إلكترونية غير عادية تكون مسؤولة عن ذلك، لكن البيانات لم تدعم هذه الأفكار. وبدلاً من ذلك، اقترح الباحثون أن المسبب هو "التقلب الطولي في اللفات" (longitudinal fluctuation of spins). ففي المادة المغناطيسية، تشير لفات الإلكترونات عادةً إلى اتجاه ثابت. ومع ارتفاع درجة حرارة المادة نحو درجة حرارة كوري، تبدأ هذه اللفات في التذبذب والاضطراب. وبينما تركز معظم النظريات على تذبذب اللفات جانبًا، وجد الباحثون أن التقلبات التي تحدث على طول اتجاه اللفة نفسها هي التي تقود تأثير نيرنست. وقد بنوا نموذجًا نظريًا يعتمد على فكرة تقلبات اللفات الطولية هذه، ووجدوا أنه يعيد إنتاج سلوك الذروة الذي لاحظوه في التجارب بدقة.

يغير هذا الاكتشاف طريقة تفكير العلماء في تحويل الحرارة إلى كهرباء. فهو يكشف أنك لست بحاجة إلى حالة مغناطيسية منتظمة تمامًا لتوليد تأثير كهروحراري عرضي قوي. إن الحالة الفوضوية والمضطربة للفتات بالقرب من درجة حرارة كوري ليست طريقًا مسدودًا، بل هي محرك قوي لتحويل الطاقة. وبما أن هذا التأثير يعمل في درجات حرارة أعلى بكثير من درجة حرارة الغرفة، فإنه يفتح آفاقًا جديدة لتصميم أجهزة كهروحرارية يمكنها حصاد الحرارة من العمليات الصناعية أو المحركات بكفاءة أكبر. ويبرهن هذا العمل على أن الحركة المضطربة للذرات والإلكترونات، والتي غالبًا ما تُعتبر مصدرًا للفوضى، يمكن تسخيرها لإنتاج تيارات كهربائية مفيدة، مما يقدم مسارًا جديدًا لتحسين تقنيات الطاقة.