Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations
本文报告了在铁磁性 (Mn,Cr)Sb 样品中观察到的居里温度附近的能斯特效应峰值，并将其归因于纵向自旋涨落而非静态磁化或奇异电子结构，从而挑战了传统的莫特关系，并揭示了一种增强横向热电转换的新机制。
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热量与电能通常被认为是朝着同一方向移动的伙伴。当你加热金属棒的一端时，电流会从热的一侧流向冷的一侧。但在物理学中有一个特殊的技巧，可以迫使热量和电能以垂直的角度运动，就像风吹过河流时，河水向侧面流动一样。这种被称为内斯特效应（Nullst effect）的现象，是无需笨重机械即可将废热转化为有用电能的强大工具。科学家们长期以来已经了解这种现象发生的两种主要方式：一种依赖于外部磁场对电子的推动，另一种则依赖于材料本身的内部磁序。几十年来，主流观点认为，一旦材料失去永久磁性，这种内部版本的效应就会消失，而这种失去磁性的现象发生在被称为居里温度的特定温度下。如果磁序消失了，人们预期该效应也会随之消失。
来自日本国立材料科学研究所和东京大学的一个研究小组挑战了这一长期存在的假设。通过研究一种由锰、铬和锑组成的特定材料家族，他们发现，当材料停止作为永久磁铁时，内斯特效应并不会简单地关闭。相反，该效应恰恰在材料失去磁性的温度附近变得最强。研究人员发现，虽然通常的磁信号在这一临界点会完全消失，但由原子自旋的混沌、波动运动所驱动的一种不同类型的信号却依然保持强劲。这一发现表明，处于无序状态下的自旋那种躁动不安、摇摆不定的运动，可以像有序磁场一样有效地驱动电流的产生。
为了寻找这种隐藏的行为，该团队制作了一系列化学式为 的多晶样品，通过仔细调整铬的含量来改变材料失去磁性的温度。他们通过将高纯度元素熔合在一起、将其研磨成粉末，并使用放电等离子烧结技术将其压制成固体棒来合成这些材料。所得的金属棒呈六方结构，且没有多余的杂质，其居里温度根据铬含量的不同，在约 295 开尔文至 480 开尔文之间变化。研究人员随后着手测量内斯特效应，但他们面临着一个挑战：在固体块中直接测量这种效应非常困难，因为热量会以令人困惑的方式通过材料泄漏。为了解决这个问题，他们使用了一种巧妙的间接方法，称为锁相热成像法（lock-in thermography）。他们并没有直接测量电流，而是在施加磁场的同时让电流通过样品，由于一种相关的效应——埃廷格豪森效应（Ettingshausen effect），这会导致样品产生特定的发热模式。通过使用红外相机观察样品表面的温度波，他们可以精确计算出内斯特效应的强度，而不受其他热噪声的干扰。
结果令人惊讶且清晰明确。随着加热样品，研究人员观察了内斯特信号的变化情况。在典型的磁性材料中，当材料不再具有磁性时，信号会降至零。然而，在这些锰铬锑样品中，内ست信号并未消失。即使在材料从磁性状态跨越到非磁性状态时，它依然保持着有限的数值。事实上，该信号在居里温度附近显示出一个明显的峰值。与此同时，研究人员测量了反常霍尔电阻率（anomalous Hall resistivity），这是一种通常与磁性材料中的内斯特效应完美同步的属性。然而，这一属性确实如预期那样，在居里温度处正好降至零。这种不匹配创造了一个谜题：内斯特效应依然活跃，但其通常的磁驱动力却已消失。
团队排除了几种常见的解释。他们考虑了是否是被称为“马格农”（magnons）的微小磁性粒子（它们携带热量但不携带电荷）在拖拽这种效应，但计算表明马格农在这些高温下会失去影响力。他们还寻找了是否由奇异的磁织构或不寻常的电子结构所驱动，但数据并不支持这些想法。相反，研究人员提出，罪魁祸首是自旋的纵向涨落（longitudinal fluctuation of spins）。在磁性材料中，电子的自旋通常指向一个固定的方向。当材料加热接近居里温度时，这些自旋开始发生摇摆和波动。虽然大多数理论关注的是自旋向侧向的摇摆，但研究人员发现，沿着自旋本身方向发生的涨落驱动了内斯特效应。他们基于这种纵向自旋涨落的想法建立了一个理论模型，并发现该模型完美地再现了他们在实验中观察到的峰值行为。
这一发现改变了科学家看待热能转化为电能的方式。它揭示了你并不需要一个完美的有序磁态来产生强大的横向热电效应。在居里温度附近的混沌、波动的自旋状态并非死路，而是一个强大的能量转换引擎。由于这种效应在远高于室温的温度下仍能工作，它为设计能够更高效地从工业过程或发动机中收集热能的热电装置开辟了新的可能性。这项工作证明，原子的躁动运动和电子的运动——通常被视为无序的来源——可以被用来产生有用的电流，为改进能源技术提供了一条全新的路径。
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