Nernst Efekt: Termomagnitне Трансверзальне Напруження

Визначення ефекту та його геометрії

Стандартна конфігурація Нерста передбачає три взаємоперпендикулярні напрямки: температурний градієнт -∇T, застосований, наприклад, вздовж осі x; магнітне поле B, застосоване вздовж z, перпендикулярне площині зразка; і виміряне електричне поле E_y вздовж y, також перпендикулярне обом. Коефіцієнт Нерста зазвичай визначається як N = E_y / (|∇T| B) за умови відсутності потоку електричного струму (вимірювання з відкритим контуром), подібно до того, як визначається коефіцієнт Холла за умови відсутності потоку струму, що виникає внаслідок магнітного поля. Цей перехресний термомагнітний сигнал є одним із елементів ширшого матрицю термогальваномагнітних ефектів, яка також включає поздовній ефект Зеебека (напруга від температурного градієнту без наявності поля), ефект Рігі-Леду (термічний аналог ефекту Холла, що створює перехресний температурний градієнт від поздовжнього тепла в магнітному полі) та звичайний ефект Холла (перехресна напруга від поздовжнього струму у полі). Усі ці ефекти мають одну й ту саму основну фізичну причину: сила Лоренца пов’язує зміщення або дифузію заряджених носіїв з застосованим магнітним полем, і будь-який із присутніх факторів (електричне поле, температурний градієнт) частково перенаправляється в перпендикулярному напрямку. Експериментально для ізоляції чистого сигналу Нерста потрібна обережність, оскільки реальний зразок у температурному градієнті та магнітному полі може одночасно розвинути поздовній напругу Зеебека, а невідповідність між контактами може змішувати невелику поздовжню компоненту в перехресне вимірювання. Стандартною практикою є вимірювання перехресної напруги як для позитивної, так і для негативних полярностей магнітного поля та симетрізація результату, оскільки сигнал Нерста непарний при обертанні поля, тоді як будь-який залишковий ефект Зеебека від невідповідності контактів є парним, що дозволяє чітко відокремити обидва внески до вимірювання перед подальшим аналізом.

Походження та важливість

Наївне уявлення свідчить про те, що гарячі носії, які дифундують вздовж градієнта температури, завжди повинні створювати помітний поздовжній зсув у полі. Однак Nernстовідний ефект у простому односмуговому металі з незалежним часом розслаблення має аномально малий розмір, явище, яке іноді називають скасуванням Sondheimer'а. Причина полягає в тому, що Nernстовідний ефект фундаментально чутливий до залежності енергії від електронного часу розслаблення та густини стану поблизу Фермі-рівні, а не лише до існування кута Холла. У рамках рамки формули Mott термоелектропровідні коефіцієнти пропорційні похідній за енергією відповідного електричного коефіцієнта транспорту, оціненому на рівні Фермі. Для звичайної провідності Холла, яка сама по собі зазвичай плавно і слабко змінюється в парадоксальній параболічній смузі, цей похідний невеликий, тому Nernстовідний ефект, який він створює, також малий. Це пояснює, чому Nernстовідний ефект стає чуйним датчиком у системах, де електронна структура швидко змінюється поблизу Фермі-рівні, наприклад, в багатосмугових напівпровідниках, матеріалах біля переходу Ліфшіца або системах із сильним енергетично залежним розсіюванням, де скасування не порушується і виникає великий звичайний Nernстовідний ефект, навіть без жодних екзотичних фізичних явищ. Цей самий чутливість робить Nernстовідний ефект цінним доповненням до вимірювань розгортки фотоемісійного струму та квантових коливань при характеристики електронної структури нового матеріалу, оскільки Nernстовідний сигнал, який аномально великий або змінюється знаком у залежності від температури, поля або введення носіїв заряду, часто є першим транспортним сигналом, що свідчить про те, що простий односмуговий образ неадекватний, спонукаючи більш детальне спектроскопічне або термодинамічне дослідження основної поверхні Фермі. У практиці обчислення коефіцієнта Nernстовідного ефекту з перших принципів вимагає йти за межі простої оцінки часу розслаблення, щоб правильно захопити залежність енергії як від швидкості розсіювання, так і від швидкості групи поблизу Фермі-рівні, що робить теоретичні обчислення Nernстовідного ефекту значно складнішими, ніж аналогічні обчислення для звичайної опороності або коефіцієнта Холла, і тому порівняння виміряних і розрахованих Nernстовідних сигналів стало суворим тестом на відповідність запропонованим моделям електронної структури для багатьох зв’язаних та топологічних матеріалів.”]} চালিয়ে가세요.  (Continue) – I will provide the next section. Do not ask for a summary or any other feedback at this point. Just continue with the translation. The entire article is provided as context, but you only need to translate ONE section at a time. This is a large project. Let's proceed. Please keep your responses concise and focused on the task. I will provide the next heading when you are ready. It’s important that you don’t change anything in this response. Do not re-title or add any information. Just continue translating.  Let's start with the following section:

Тип носія заряду, знак та компенсація багатосмугових матеріалів

Однією з найбільш інформативних діагностичних характеристик ефекту Нерста є його залежність від знаку від типу носія заряду в поєднанні з поведінкою у багатосмугових матеріалах. Для простого металу або напівпровідника з одним носієм заряду знак звичайного сигналу Нерста відображає знак домінуючого носія та викривлення його зони енергії, але, на відміну від коефіцієнта Зеебека, ця залежність не завжди є простим прямим показником електрон-або отворового характеру, оскільки відповідь на ефект Нерста також залежить від мобільності та її залежності від енергії. У компенсованих сміттєвих металах з порівнянною щільністю електронів і дірок, таких як бісмут або графіт, внески електронів і дірок у звичайний ефект Холла схильні до скасування, але їх внески в ефект Нерста можуть додаватися конструктивно, оскільки два типи носіїв рухаються в протилежних напрямках під впливом однієї й тією ж температурної градієнта, але при цьому відхиляються силою Лоренца до одного і того ж поздовжнього краю, коли їх заряди протилежні. Саме тому сміттєві метали, такі як бісмут, демонструють деякі з найбільших коефіцієнтів ефекту Нерста серед усіх матеріалів, і ефект Нерста історично цінувався як особливо чутливий зонд для компенсованих напівпровідників з низькою щільністю носіїв заряду, де традиційні вимірювання Холла порівняно неінформативні через скасування внесків електронів і дірок. Графіт та, останнім часом, пристрої на основі графену забезпечують особливо чистий полігон для дослідження цієї компенсаційної фізики, оскільки регульована за допомогою затвора щільність носіїв дозволяє безперервно змінювати співвідношення електронів і дірок через точку нейтральності, а сигнал Нерста показує цю переминку з характерною зміною знаку та структурою піків, яка безпосередньо відображає зміни внесків електронів і дірок, надаючи незалебне транспортне підтвердження прогнозів щодо зони енергії для цих матеріалів, подібних до Дракових.

Вортовий Нернст-ефект у надпровідниках

Виходячи за межі звичайних металів, ефект Нернста відіграє ключову роль у фізиці типів II надпровідників вище температури переходу. У змішаному стані магнітний потік проникає в надпровідник у вигляді квантованих воріт, кожна з яких має нормальний ядро. Термічне градієнтом діє на ці ворти тепловий тиск, змушуючи їх текти вздовж напрямку потоку тепла, і це вортильне рух генерує фазове просідання, що створює поперечний електричний струм, який точно аналогічний класичному напруженню від потокового опору, яке спостерігається при струмовому русі воріт. Оскільки ворти практично відсутні в чистому нормальному металі, але вимірювані сигнали Нернста зберігаються навіть вище температури переходу з нуля у недоведені купрати, ефект Нернста воріт став одним із ключових експериментальних доказів існування широкої області коливаних фаз надпровідності вище температури відродження опору в надпровідниках високої температури. У цьому режимі пари Купера та ворти-подібні збудження зберігаються без глобальної фазової узгодженості, відкриття якого змінило розуміння діаграми фаз купратів і так званої «шумової щілини». Характерний відбиток, що відрізняє внесок вортильного Нернста від фонового квазічастинного сигналу, полягає в його сильних нелінійностях у магнітному полі при низьких полях, що відображають залежність щільності термогенерованих пар ворток-антивортоків від магнітного поля, разом із температурою початку, яка відстежує втрату довгодалевої фазової узгодженості, а не втрату зв’язку Купера. Подальші дослідження розширили вимірювання Нернста вортильного ефекту до залізомістких надпровідників та інших неозвичайних систем з’єднання, встановивши цю техніку як загальний інструмент для виявлення коливаних надпровідних зв'язків де завгодно, де інший опір може бути помилково прийнятий за повний зникнення зв’язку. Оскільки внесок вортильного струму та будь-який фоновий Нернст-ефект нормального стану можуть в принципі перекриватися в діапазоні температур і полів, ретельні експерименти зазвичай поєднують вимірювання Нернста з незалежними пробами, такими як торкнометрія, діамагнітна сприйнятливість і теплоємність, щоб побудувати узгоджену картину того, де починаються та закінчуються справжні коливання надпровідності, що стало само по собі джерелом значного удосконалення методології в цій галузі за останні два десятиліття.

Застосування: термомагнітна енергетична конверсія та характеристика

Оскільки ефект Нерста безпосередньо перетворює градієнт температури на поперевий струм без необхідності використання p-n з’єднання або пари термоелементів, він привернув увагу як основа для твердотільних генераторів на основі ефекту Нерста та датчиків потоку тепла, особливо аномальний ефект Нерста в магнітних матеріалах, який створює поперевий струм навіть у відсутності зовнішнього поля, коли матеріал самовільно магнітизується. Пристрої на основі аномального ефекту Нерста, виготовлені з тонких магнітних плівок, пропонують спрощену бічну геометрію порівняно з традиційними термоелектричними модулями на основі Seebeck, оскільки вихідна напруга може бути зібрана вздовж довжини однієї смуги магнітного матеріалу замість того, щоб вимагати альтернативних ніг p-типу та n-типу матеріалів, що потенційно спрощує великомасштабні або гнучкі застосування збору тепла, хоча досягнуті на даний момент ефективності залишаються помірними порівняно з усталеними технологіями на основі Seebeck. Окремо, звичайний ефект Нерста став рутинним інструментом характеристики для визначення змін у топології Фермі-поверхні, виявлення початку порядку щільності хвиль та дослідження електронної нематичності в зв’язаних електронних матеріалах, таких як залізомістні надпровідники та купрати, що пояснюється його надзвичайною чутливістю до енергетичного градієнта коефіцієнтів транспорту, який дозволяє виявляти зміни в структурі смуги, які майже непомітні в вимірах опірності або звичайного ефекту Холла. У залізомістних надпровідниках батьківських і недодопірованих сполук, наприклад, поява електронної нематичної фази, в якій електронна структура самовільно порушує чотирикратною симетрією обертання підґрунтя до двоелементної, створює анізотропію між сигналами Нерста, виміряними вздовж двох початково еквівалентних кристалічних осей, цю анізотропію видно раніше, іноді допомагаючи передбачити структурний перехід, виявлений дифракцією. Це робить кутові вимірювання Нерста одним з найбільш чутливих доступних детекторів порушення електронної симетрії в наборі інструментів для експериментальних досліджень зв’язаних електронних матеріалів. Вимірювання Нерста також використовувалися для відстеження переходів порядку щільності хвиль у матеріалах, таких як недодопіровані купрати та певні міжметалічні рідкоземельні сплави, де раптова реконструкція Фермі-поверхні, коли утворюються невеликі пакети електронів або дірок, може створювати драматичне, змінюване на знак, посилення сигналу Нерста безпосередково при переході температури, що надає транспортний супровід до доказів X-променів та нейтронної дифракції щодо початку порядку щільності заряду або спіну.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Nernst Effect: Thermomagnetic Transverse Voltage Generation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.