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顺磁材料可将热量转换为能量！将汽车尾气的热量转化为电能？

科学家观察到，即使在顺磁材料中，固体中自旋的局部热扰动也可以将热量转换为能量，在顺磁材料中，自旋被认为关联的时间不够长。这种效应，研究人员称其为“准磁悬浮阻力热电势”，将温差转换为电压。这一发现可能促使更有效的热能收集，例如将汽车尾气的热量转化为电能以提高燃料效率，或通过体热为智能衣服提供动力。该研究团队包括来自北卡罗来纳州立大学、能源部橡树岭国家实验室(ORNL)、中国科学院和俄亥俄州立大学的科学家。

在含有磁性离子(如锰)的固体中，自旋的热扰动要么可以彼此对齐(铁磁或反铁磁体)，要么不对齐(顺磁体)。然而，自旋在准磁体中并不是完全随机的：它们形成短期、短程、局部有序的结构（准磁子）这些结构只存在百万分之一秒，并且只延伸到两到四个原子上。其研究发表在《科学进展》期刊上，研究表明，尽管存在这些缺点，但即使是准粒子也可以在温差中移动，并推动自由电子一起，形成准非拖曳热电势。

在一项概念验证的发现中，研究小组观察到碲化锰(MnTe)中的准磁阻延伸到非常高的温度，并产生比仅靠电子电荷产生热电势强得多的热电势。研究小组通过将掺锂的MnTe加热到比其Néel温度(34摄氏度)高出约250摄氏度（材料中的自旋失去长程磁序和材料成为顺磁性的温度）来测试顺磁阻力热电势的概念。

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联合作者，北卡罗来纳州立大学(NC State)电气和计算机工程及材料科学教授达约什·瓦沙伊(Daryoosh Vashaee)说：在内尔温度以上，人们会认为由自旋波产生的热电势会下降，然而，没有看到预期的下降，所以想找出原因。

在橡树岭国家实验室，研究小组使用散裂中子源的中子光谱学来确定材料内部发生了什么。ORNL的材料科学家、该论文的联合作者Raphael Hermann说：观察到，即使没有持续的自旋波，局域离子簇也会将自旋关联足够长的时间，从而产生可见的磁场波动。研究表明，这些自旋波的寿命（大约30飞秒）足够长，可以拖动电子电荷，而这只需要大约一飞秒，或一万亿分之一秒就可以了。因此，短暂的自旋波可以推动电荷并产生足够的热电势，以防止预期的下降。

俄亥俄州立大学(Ohio State University)机械和航空航天工程教授、这篇论文的联合作者约瑟夫·赫曼斯(Joseph Heremans)说：在这项研究之前，人们认为磁振子阻力只能存在于磁性有序材料中，而不是准磁体中。因为最好的热电材料是半导体，而且我们知道在室温或更高温度下没有铁磁半导体，以前从未想过磁振子阻力可以在实际应用中提高热电效率，这一新发现彻底改变了这一点；现在可以研究顺磁半导体，其中有很多这样的半导体。

北京中国科学院教授、该论文的联合作者赵怀洲表示：当观察到塞贝克系数在奈尔温度以下和附近突然上升，这一超额值延伸到高温时，我们怀疑一定涉及到与自旋有关的根本问题，因此组建了一个具有互补专业知识的研究团队，为这一发现奠定了基础。自旋通过减轻泡利排斥对电子施加的基本平衡，在热电方面实现了一种新范式。正如自旋塞贝克效应的发现一样，自旋-塞贝克效应促使诞生了自旋角动量转移到电子的新领域，自旋波(即磁子)和顺磁状态下磁化的局部热涨落(即顺磁子)都可以将其线性动量转移到电子并产生热电势

博科园｜研究/来自：北卡罗来纳州立大学

参考期刊《科学进展》

DOI: 10.1126/sciadv.aat9461

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交磁性：在普通材料中发现的磁性的新形式

科学家们已经证实了一种奇怪的新磁性的存在。研究小组表示，就在我们的眼皮底下，“交磁性（altermagnetism）”可以在日常材料中找到，并可能有重大的技术用途。

我们最熟悉的磁性形式 —— 就是那种把五花八门的艺术贴吸附在冰箱上的那种 —— 就是所谓的铁磁性。当材料中所有电子的自旋方向相同时，就会产生这种效应。另一个主要分支被称为反铁磁性，当电子自旋与它们的邻居方向相反时，就会产生反铁磁性。其他形式包括抗磁性、顺磁性和亚铁磁性，它们都是由不同的机制产生的。

但现在，一种全新形式的磁性被发现了。它被称为“交磁性（altermagnetism）”，它的特点是与其他类型的现象有着奇怪的混合性质 —— 它的电子以交替的方向旋转，就像反铁磁体一样，这意味着它不会产生磁化。但这种材料的能带也有来自相邻带的交替自旋。

交磁性最早是在2019年被预测到的，但现在已经在瑞士光源（SLS）同步加速器的实验中得到了证实。第一个交磁性材料是碲化锰，它一直被认为是反铁磁体，因为它的电子自旋指向相反的方向，而且它没有净磁化。但在这种情况下，研究小组用X射线仔细观察，发现它的电子带分裂成不同的自旋状态 —— 这是交磁体的一个预测特征。

虽然，近年来发现了其他新的子形式的磁性，但交磁性可能是最广泛的新事物，可能具有最有用的应用，例如超导和一个新兴的科学领域，称为自旋电子学。在电子学中，信息被编码到电子的电荷中，但自旋电子学也在自旋中编码数据。铁磁体通常在自旋电子学实验中具有最好的性能，但它们产生的磁场会干扰邻近的电子。值得庆幸的是，反铁磁体没有净磁性，因此它们更容易扩展，效率更高 —— 但它们也有较弱的自旋效应来编码数据。然而，交磁材料可以两全其美 —— 它们有很强的自旋效应，但没有净磁性。这种组合一直被认为是不可能的。

该研究的首席研究员Tomáš Jungwirth说：“交磁性实际上并不是非常复杂的东西。这是一种完全基本的东西，几十年来一直在我们眼前，却没有注意到。它不只是存在于一些晦涩难懂的材料中。它存在于人们抽屉里的许多晶体中。从这个意义上说，既然我们已经将其公之于众，世界各地的许多人将能够研究它，从而产生广泛的影响。”

这项研究发表在《自然》杂志上。

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