Efekt Nernsta: Generowanie pionowego napięcia termomagnetycznego

Definicja efektu i jego geometrii

Standardowa konfiguracja Nernsta obejmuje trzy wzajemnie prostopadłe kierunki: gradient temperatury -∇T zastosowany wzdłuż osi x, pol pole B zastosowane wzdłuż osi z, prostopadłej do płaszczyzny próby, a wynikowy electric field Nernsta E_y mierzony jest wzdłuż osi y, prostopadłej zarówno do obu tych kierunków. Współczynnik Nernsta jest zazwyczaj zdefiniowany jako N = E_y / (|∇T| B) pod warunkiem zerowego przepływu prądu elektrycznego ( pomiary otwartego układu ), analitycznie porównywalnie z definicją współczynnika Halla przy zerowej przesunięciu prądu elektrycznego spowodowanego pol polem. Ta prostopadła odpowiedzialność termomagnetyczna jest jednym z wielu wpisów w szerszym zestawie efektów termogalvanomagnetycznych, który obejmuje również efekt Seebacka poziomego (współczynnik napięcia spowodowanego gradientem temperatury bez pola), efekt Righi-Ledca (analogon termiczny efektu Halla, tworzący prostopadły gradient temperatury z przepływem ciepła wzdłużowy w polu magnetycznym) oraz zwyczajowy efekt Halla (prostopadłe napięcie spowodowane prądzie wzdłużowym w polu magnetycznym). Wszystkie te efekty mają wspólną podstawową fizyczną pochodnotę: siła Lorentza łączy przemieszczanie się lub rozpraszanie ładunków z pol polem, a jakakolwiek napędzająca siła (pol pole elektryczne, gradient temperatury) jest częściowo odciążona w kierunku prostopadłym. W praktyce izolacja czystego sygnału Nernsta wymaga ostrożności, ponieważ rzeczywista próba pod wpływem gradientu temperatury i pola magnetycznego może rozwinąć jednocześnie napięcie Seebacka poziomego, a nieporządana aligacja kontaktów może łączyć mały komponent poziomy w pomiarze prostopadłym. Standardowa praktyka polega na mierzeniu przepływów prostopadłych dla obu pol polarności i antysymetryzacji wyniku, ponieważ sygnał Nernsta jest nieparzysty pod wpływem odwrotnej pola, natomiast dowolne zanieczyszczenie Seebacka spowodowane nieporządanymi kontaktami jest parzyste, co pozwala na czystą separację tych dwóch składników w danych raw przed dalszym analizowaniem.

Pochodzenie mikroskopowe: dlaczego metal typowy ma mały sygnał Nernsta

Przykrość, że banalny obraz sugerowałby, że ciepłe cząsteczki rozpraszające się w kierunku gradientu temperatury powinny zawsze wywoływać znaczący odchylenie pionowe przy polu magnetycznym. Jednak sygnał Nernsta w prostym jednoprzepustnikowym metalu o czasie rozpraszania niezależnym od energii jest nadzwyczaj mały, co nazywa się często anulacją Sondheima. Powodem jest to, że efekt Nernsta jest podstawowo czuły na zależność energii czasu rozpraszania i gęstości stanów energetycznych blisko poziomu Fermiego, a nie tylko na istnienie kąta Halla. W ramach formalizmu Motta współczynniki transportu termoelektryczne są proporcjonalne do pochodnej energii odpowiedniego współczynnika transportowego ocenionego w punkcie energetycznym Fermiego. Dla typowej konduktory Halla, który zwykle zmienia się gładko i słabo z energią w parabolicznych przepustnikach jednoprzepustnikowych, ta pochodna jest mała, co prowadzi do słabej sygnału Nernsta. To dlatego efekt Nernsta staje się szczególnie czułym badaniem systemów, gdzie struktura elektryczna zmienia się szybko blisko poziomu Fermiego, takich jak wieloprzepustnikowe półmetale, materiały bliskie przejściu Lifshizza lub systemy z silną zależnością od energii rozpraszania, gdzie banalna anulacja jest złamana i wyrastają znaczące sygnały Nernsta typowe nawet bez żadnej ekstremalnej fizyki. Ta sama czułość sprawia, że efekt Nernsta stanowi cenną dodatkowość do pomiarów emisji fotokatodowej z odrobiną kąta i oscylacji kwantowych przy charakteryzowaniu struktury elektrycznej nowego materiału. Sygnał Nernsta, który jest nadzwyczajnie duży lub zmienia znak funkcjonując w temperaturze, polu magnetycznym czy dźwigu ładunków, często jest pierwszym oznakiem transportowym, że banalny przepustnik jednoprzepustnikowy nie jest wystarczający, co prowadzi do dokładniejszej spektroskopii lub termodynamicznej analizy powierzchni Fermiego. W praktyce obliczanie współczynnika Nernsta z pierwszych zasad wymaga przejścia poza prostej przybliżenie czasu rozpraszania, aby poprawnie uwzględnić zależność energii zarówno od szybkości rozpraszania, jak i prędkości grupowej w odpowiednim przepustniku, co jest powodem dla tego, że teoretyczne obliczenia efektu Nernsta są znacznie bardziej trudne niż analogiczne obliczenia oporu zwykłego lub współczynnika Halla. Dlatego porównanie dokładne pomiarów i obliczeń sygnałów Nernsta stało się streściącym testem modeli struktury przepustników dla wielu materiałów związanych i topologicznych.

Typ, znak i kompensacja wielobanda przewodników

Jeden z najbardziej diagnostycznie użytecznych cech efektu Nernsta jest zależność jego znaku od typu przewodnika w połączeniu z jego zachowaniem w materiałach wielobandowych. Dla prostego metalu lub semikonduktora jednokomponentowego, znak sygnału Nernsta zwyczajnego odzwierciedla znak ładunku dominującego przewodnika w połączeniu z krzywizną jego bandy, ale nie jest to zawsze proste i bezpośrednie wyrażenie charakteru elektronowego lub półprzewodniczego, ponieważ odpowiedzialność Nernsta zależy również od ruchomości oraz jej zależności od energii. W semikonduktorach kompensowanych zawierających porównywalne gęstości elektronów i pólnow, takich jak bismut lub grafit, przyczynki elektronowe i polnowe do efektu Halla zwyczajnego tendują do anulowania się, ale ich przyczynki do efektu Nernsta mogą zamiast tego dodatkowo konstruktownie sumować się, ponieważ oba typy przewodników przemieszczają się w przeciwległych kierunkach pod wpływem gradientu temperatury, a jednak są deflekowane przez siłę Lorentza do tej samej krawędzi przechodniej kryształowej, gdy ich ładunki są różne. To dlatego semikonduktory typu bismut wykazują niektóre z największych współczynników Nernsta wśród materiałów, a efekt Nernsta historycznie był ceniony jako szczególnie czujny test na kompensowane, niskogęstotowe semikonduktory, gdzie pomiar Halla konwencjonalny jest w porównaniu względnie nieinformatywny z powodu anulowania przyczyn elektronowych i półprzewodniczych. Grafit oraz nowoczesne urządzenia oparte na grafenu stanowią szczególnie czystą platformę do testów tej fizyki kompensacji, ponieważ regulacja gęstości przewodników przez gate pozwala kontynuować zmianę proporcji elektronów i pólnow wzdłuż neutralności ładunku, a sygnał Nernsta został pokazany do śledzenia tego przejścia z charakterystycznym zmienieniem znaku i strukturą maksimum, które bezpośrednio odzwierciedla zmieniającą się proporcję przyczyn elektronowych i pólnowych, dostarczając niezależnej potwierdzenia struktury bandowej dla tych materiałów podobnych do Diraca.

Efekt Nernsta wodorotowy w supralektorach

Poza konwencjonalnymi metalami, efekt Nernsta odgrywa kluczową rolę w fizyce supralektorów typu-II powyżej temperatury przejścia. W stanie mieszonym, magnetyczny flux przenika przez supralektora jako kwantowane wodorotki, każda z nich nosi jądro normalne. Grzbiet termiczny działa na te wodorotki, przemuszając je do poruszania się w kierunku przepływu ciepła, a ta ruch wodorotek generuje przesunięcie fazowe, które tworzy pol pole elektryczne prostopadłe do kierunku przepływu ciepła. Analogicznie jak w przypadku tradycyjnej napięcia flux-flow widocznego w ruchu wodorotek spowodowanym prądem, ten efekt jest dokładnie taki sam. Ponieważ wodorotki są ażem brakujące w czysto normalnym metalu, ale nadal istnieją jako mierzone sygnały Nernsta nawet powyżej temperatury przejścia bez oporu w supralektorach niedoprawionych cupratów, efekt wodorotowy Nernsta stał się jednym z kluczowych dowodów doświadczeniowych, rozwijanych szeroko przez Onga i współpracowników, na istnienie szerokiego zakresu przesuwów fazowych supralektora powyżej temperatury przejścia bez oporu w cupratach o wysokich temperaturach krytycznych. W tym zakresie parę Coopera i excitacje podobne do wodorotek pozostają, nie mając globalnej synchronizacji fazowej, odkrycie to przemieniło zrozumienie diagramu fazowego cupratów oraz tak zwanej regionu pseudogap. Charakterystyczna cecha, która odchyla sygnał wodorotowy efektu Nernsta od tła kwasipartkowego, to jego silna nieliniowość w polu magnetycznym przy niskim polu, reprezentująca zależność gęstości par wodorotko-antywodorotka tworzonych termicznie od pola magnetycznego oraz temperatury, która śledzi stratę synchronizacji fazowej na długich odstępach zamiast straconej parowania Coopera. Przebieg dalszych badań rozszerzył pomiary efektu Nernsta wodorotowego do supralektorów opartych na azurach i innych systemach niekonwencjonalnej parowania, ustanawiając technikę jako ogólne narzędzie do wykrywania przesuwających się korelacji supralektora gdziekolwiek, gdzie przejście rezystywnego mogłoby być pomyślnie zidentyfikowane jako kompletna utrata parowania. Ponieważ wkład wodorotowy i tło kwasipartkowe normalnego stanu mogą teoretycznie pokrywać się w zakresie temperatury i pola, dokładne doświadczenia zwykle łączą pomiary efektu Nernsta z niezależnymi metodami takimi jak magnetometria obrotowa, suszydłowość diamagetyczna i ciepło właściwe, aby stworzyć spójny obraz miejsca, w którym prawdziwe przesuwające się korelacje supralektora zaczynają i kończą się, wyzwanie interpretacyjne, które same w sobie prowadziło do znacznego ulepszenia metodologicznego w dziedzinie nadczaszczy.

Zastosowania: konwersja termomagnetyczna energii i charakterystyka

Dzięki temu, że efekt Nernsta przekształca gradient temperatury bezpośrednio w napięcie przechodnie bez potrzeby p-n diody ani par termokorektorów, zyskał on uwagę jako podstawa generatorów termomagnetycznych i czujników natężenia ciepła opartych na efekcie Nernsta, szczególnie w przypadku niezwykłego efektu Nernsta w magnetycznych materiałach, który tworzy napięcie przechodnie nawet przy zerowym polu zewnętrznym po samonaprawieniu materiału magnetycznego. Urządzenia z niezwykłym efektem Nernsta zbudowane z cienkich pokładów magnetycznych oferują uproszczoną geometrię lateralną w porównaniu do konwencjonalnych modułów termoelektrycznych opartych na Seebeck, ponieważ napięcie wyjściowe może być zbierane po długości jednego stripu materiału magnetycznego zamiast wymagać alternujących klatek p-typu i n-typu. Może to uproszczyć aplikacje wielkich obszarów lub elastycznych do harvestingu ciepła, choć osiągane do tej pory efekty pozostają mniej więcej na poziomie established technologii Seebeck. Oddzielnie, niezwykle silna wrażliwość efektu Nernsta na pochodną energii transportowych współczynników czyni go narzędzie charakterystycznym do wykrywania zmian topologii powierzchni Fermiego, wykrywania początku porządku w formie fal gęstości i badania elektronicznej nematicji w materiałach z powiązanymi elektronami, takich jak superkonduktorzy na podstawie jutra i cupraty. To dlatego, że jest ono szczególnie czułe na zmiany struktury skórkowej, co pozwala mu odkrywać zmiany w strukturze skórkowej, które są prawie niewidoczne w pomiarach rezystancji i zwykłego pola Halla. Na przykład w superkonduktorach na podstawie jutra i ich poddopingowanych formach, pojawienie się faz elektronicznej nematicznej, w której struktura elektroniczna samonaprawia czterokrotne symetrię podłoża do dwukrotnej, powoduje wyraźną anizotropię między sygnałami Nernsta pomiarowymi poziomymi na dwóch pierwotnie równych osiach krystalicznych. Ta anizotropia pojawia się przed i często pomaga w prognozowaniu strukturalnej przemiany wykrytej przez difrakcję. To sprawia, że pomiary Nernsta o kątowym rozdzielczościu są jednymi z najbardziej czujnych detektorów zmian symetrii elektronicznej w zestawieniu narzędzi do badań materiałów z powiązanymi elektronami. Pomiary Nernsta były również używane do śledzenia przemian w formie gęstości fal w materiałach takich jak poddopingowe cuprate i pewne intermetale rare-earthy, gdzie nagle odśrodkowanie powierzchni Fermiego, gdy małe kieszenie elektroniczne lub dziury pojawiają się, może spowodować dramatyczną, zmieniającą znak wzmocnienie sygnału Nernsta dokładnie przy temperaturze przejściowej, dostarczając transportową dodatkę do dowodów difrakcji X i neutronowej na pojawienie się porządku gęstości elektronicznej lub spinowej.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Nernst Effect: Thermomagnetic Transverse Voltage Generation i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.