برای نخستین بار پژوهش‌گران موفق به نشان دادن اثر پلتیر اسپینی (The spin Peltier effect) شده‌اند. اثری که در آن٬ جریان اسپینی در یک فلز٬ شارش حرارتی را در ماده‌ی مجاور آن ایجاد می‌کند.

اثرات ترموالکتریکی موجب می‌شوند تا اختلاف‌ دمایی به جریان الکتریکی تبدیل شود و بلعکس. این اثرات پایه‌ی حسگرهای دمایی معین و پمپ‌های حرارتی هستند. با این وجود وقتی اسپین نیز در مسئله وارد می‌شود٬ می‌توان به اثرات دیگری نیز دست یافت. زمینه‌ی مطالعاتی انتقال حرارتی اسپینی در سال ۲۰۰۸ بوجود آمد. این کار زمانی ظهور کرد که محققان اثر سی‌بک (Seebeck) اسپینی (SSE) را با گذراندن یک جریان حرارتی از یک فرومغناطیس نشان دادند و جریان اسپینی القا‌شده در یک فلز مجاور را ثبت کردند [1]. این مشاهدات شاید به واقع اولین و جدیدترین اثر انتقالی از زمان کشف اثرات ترمومغناطیس (Nernst, Ettingshausen) را در اواخر دهه‌ی ۱۸۸۰ مشخص کردند. درست شبیه اثرات ترموالکتریکی سنتی٬ پژوهش‌گران پیش‌بینی کرده‌اند که یک اثر معکوس بایستی وجود داشته باشد. اثری که در آن تزریق یک جریان اسپینی در یک فلز مجاور٬ می‌تواند اختلاف دمایی در یک ماده مغناطیسی را سبب شود. اولین مشاهده‌ از این اثر موسوم به اثر پلتیر اسپینی (SPE) در مجله‌ی فیزیکال ریوو لترز [2] گزارش شده است. جوست فیلیپس (Joost Flipse) از دانشگاه گرونینگن هلند و همکارانش همچنین موفق به تایید این نکته شده‌اند که SPE یک رابطه‌ی ترمودینامیکیِ اساسی با SSE دارد. SSE پشتوانه‌ی تجربی مستحکمی برای این زمینه‌ی تحقیقاتی جدید از انتقال اسپنی حرارتی (یا spin caloritronics [3,4]) به حساب می‌آید. این کار امکانات تازه‌ای برای توسعه‌ی پمپ‌های حرارتی حالت جامد و قطعات کنترل دمایی فراهم می‌آورد که مدت زمان طولانی راه حل انحصاری مطلوبی برای فرآیندهای مکانیکی حجمی همچون فشرده‌سازی بخارآب است.

اثر سی‌بکِ کلاسیکی تبدیل اختلاف دمایی به ولتاژ را شامل می‌شود٬ درحالی‌که اثر معکوس آن یعنی اثر پلتیر کلاسیکی در جهت عکس عمل کرده و یک ولتاژ را به اختلاف دمایی تبدیل می‌کند. این دو اثر ترموالکتریکی از رابطه‌ی موسوم به موازنه‌ی اونزاگر [5] پیروی می‌کنند. بر اساس این رابطه آهنگ این دو تبدیل نسبت خوش‌تعریفی دارد. موازنه‌ی اونزاگر برای تمامی فرآیندهای ترمودینامیکی برگشت‌ناپذیر (یعنی اثرات انتقالی) صرف‌نظر از سازوکار ویژه‌ای که آن‌ها را به پیش می‌برد٬ صادق است. در مورد انتقال اسپینی حرارتی٬ موازنه‌ی اونزاگر یک رابطه‌ی دقیق بین SSE و SPE تحمیل می‌کند. بر اساس این رابطه انتظار می‌رود SPE معمولاً کوچک باشد و بنابراین بواسطه‌ی گرمایش ژول از بین می‌رود. این موضوع برای دیگر اثرات شبیه پلتیر نیز اتفاق می‌افتد و دلیلی است بر آن که چرا مشاهدات مستقیم از هردوی این روابط معکوس در اندازه‌گیری‌های انتقال حرارتی٬ یک عملکرد چشم‌گیر تجربی به حساب می‌آید [6]. توجه اینکه فیلیپس و همکارانش [7] اخیراً اثر پلتیر وابسته به اسپین و اثر سی‌بک وابسته به اسپین را مشاهده کرده‌اند که مشابه SPE و SSE است اما از فیزیک کاملاً متفاوتی نشات می‌گیرد.

شکل۱) موازنه‌ی اوزانگر به اثر پلتیر اسپینی (SPE) و اثر سی‌بک اسپینی (SSE) برای سیستمی متشکل از گارنت ایتریم آهن (YIG٬ ناحیه زردرنگ سمت چپ) و پلاتونیوم (Pt٬ ناحیه آبی‌رنگ سمت راست اعمال شده است. در SPE (بالا) یک ولتاژ V جریانی را در Pt به پیش می‌راند جایی‌که اثر هال اسپینی (SHE) الکترون‌های رسانش قطبیده در نزدیکی فصل مشترک با YIG را می‌چرخاند. این انباشتگی اسپینی یک شار اسپینی را در مگنون‌های YIG کلید می‌زند. مگنون‌ها نیز به نوبه‌ی خود با فونون‌ها جفت شده و بنابراین به یک شار حرارتی قابل اندازه‌گیری و اختلاف دمایی ΔT در YIGمنجر می‌شود. در SSE (پائین) یک اختلاف دمایی به YIG اعمال می‌شود که نتیجه شارش فونونی است. این فونون‌ها با مگنون‌های YIG جفت شده و نتیجه یک شار اسپینی خواهد بود که برخی از الکترون‌های رسانشی را در Pt قطبیده می‌سازد. الکترون‌هایی که اسپین آن‌ها در Pt قطبیده شده بواسطه‌ی اثر هال اسپینی معکوس (ISHE) – که خود معکوس اوزانگر SHE است- منجر به یک میدان الکتریکی در پلاتونیوم می‌شود.

فیلیپس و همکارانش موفق شده‌اند تا SPE را در یک سیستم نشان دهند (شکل ۱ قسمت بالا را ببینید). این سیستم شامل نواری نازک از پلاتونیوم (Pt) است که بر روی سطح یک فیلم مغناطیسی (یک اکسید فرومغناطیس که بلحاظ الکتریکی عایق است بنام گارنت ایتریم آهن یا YIG) نهشته شده است. یک میدان مغناطیسی خارجی مغناطش YIG را تنظیم می‌کند و حسگرهای پیل گرماسنجی اختلاف دمایی ΔT فیلم را دنبال می‌کنند. این تیم پژوهشی ولتاژ V را در طول نوار پلاتونیوم اعمال کرده‌اند. اعمال این ولتاژ از طریق اثر هال اسپینی (SHE) یک انباشتگی اسپینی الکترونی عرضی را در فصل مشترکِ Pt-YIG و در طرف پلاتونیومِ ایجاد می‌کند. این انباشتگی اسپینی یک نیروی مغناطیسی یا «گشتاور انتقال اسپینی» را تولید می‌کند که بر روی الکترون‌های مرتب ‌شده‌ی مغناطیسی در اربیتال d آهن در طرف YIG این فصل مشترک عمل می‌کند. برخلاف گشتاور انتقالی اسپینی که آزادانه در پلاتونیوم حرکت می‌کند٬ الکترون‌های اربیتال d آهن ثابت‌اند اما هنوز قادرند یک جریان اسپینی را در طول امواج اسپینی موسوم به مگنون‌ها حمل کنند. به یُمن وجود گشتاور انتقال اسپینی٬ الکترون‌های پلاتینوم قادر خواهد بود تا انرژی و ممنتوم را به مگنون‌های YIG انتقال دهند و برعکس. این کار بر جهت‌گیری نسبی انباشتگی‌های اسپینی Pt و مغناطش YIG وابسته است.

مگنون‌ها حامل آنتروپی و اسپین هستند بنابراین شار مگنونی که در آزمایش فیلیپس و همکارانش ایجاد شده یک شارش حرارتی در YIG نتیجه می‌دهد. با این وجود٬ حسگرهای دمایی٬ اختلالات اسپینی را اندازه نمی‌گیرند در عوض ارتعاشات اتمی یا فونون‌ها را اندازه می‌گیرند. بنابراین تنها بعد از این‌که مگنون‌های YIG انرژی را با فونون‌های YIG تبادل می‌کنند شارش حرارتی مشاهده‌پذیر خواهد شد. این پژوهش‌گران قادر شده‌اند تا شارش حرارتی SPE را از دیگر اثرات متعدد و بسیار دیگر (مثل گرمایش ژول) با تغییر جهت‌گیری مغناطش YIG ایزوله کنند. با یک جهت‌گیری٬ شارش حرارتی به خارج از پلاتونویم و به داخل YIGرسوخ می‌کند در حالی‌که جهت‌گیری مخالف باعث ایجاد شارش حرارتی از YIG به پلاتونیوم می‌شود. با مقایسه‌ی قرائت‌های دمایی در هردوی این موارد٬ این تیم به اختلاف دمایی SPE دست یافته‌اند که با ولتاژ V اعمالی به ماده‌ی مجاور القا شده است.

فیلیپس و همکارانش برای آن‌که بتوانند بر مشاهدات خود صحه‌ی بیشتری بگذارند٬ آزمایش خود را چنان بازنویسی کردند که SSE را اندازه گرفته و روابط اوزانگر را ارضا نماید. در SSE تمام فرآیند معکوس می‌شود (شکل ۱ قسمت پائینی را ببینید): اختلاف دمایی ΔT یک شار فونونی القا می‌کند که با مگنون‌ها جفت می‌شود. سپس شار مگنونی که به لحاظ دمایی رانده شده با الکترون‌های Pt اندرکنش کرده و یک قطبش اسپینی خالص در Pt و در فصل مشترک Pt-YIG ایجاد می‌کند که به نوبه‌ی خود بواسطه‌ی اثر هال اسپینی معکوس ولتاژ V را نتیجه می‌دهد. نتیجه‌ی خالصی که ظهور می‌کند SSE خواهد بود: اختلاف دمایی اعمال شده به یک ماده (YIG) ولتاژ را در ماده‌ی دیگر (Pt) نتیجه می‌دهد؛ اثری که درست معکوس SPE است. محققان با تایید این روابط معکوس٬ این بحث قوی را فراهم کرده‌اند که سیگنال‌ها ناشی از SSE و SPE است و نه ناشی از آلودگی‌های اثرات ترمومغناطیسی کلاسیکی (همچون اثر نرنست). با اثبات روابط اوزانگر به شکل کلی٬ اعتماد قابل ملاحظه‌ای به زمینه‌ی تحقیقاتی انتقال اسپینی حرارتی را فراهم می‌آورد.

این نتایج اولیه و پایه‌ای هنوز فاصله‌ی زیادی با استفاده در قطعات و کاربردها دارد. بسیار شبیه به اینکه چگونه SSE رهیافت جدیدی را برای تبدیل گرما به الکتریسیته حالت جامدی فراهم می‌کند٬ SPE ممکن است برای پمپ‌های حرارتی حالت جامد مفید باشد. پژوهش پیشین نشان می‌دهد که SSE ضرورتاً کوچک نیست و مقادیری به بزرگیِ آن چیزی که در ضرایب سی‌بک کلاسیکی وجود داشته٬ در نیم‌رساناهایی مشاهده شده که در آن اسپین الکترون‌ها بواسطه‌ی اثر زیمن [8] قطبیده شده است. بنابراین٬ قابل تصور است که بتوان یک SPE بزرگ را برای انواع کاربردها مهندسی کرد. پمپ‌های حرارتی SPE هندسه‌های عرضی مشابهی با کولرهای اتینگزهاوزن (Ettingshausen) یا کولرهای پلتیر عرضی [9] دارند که در آن‌ها شار حرارتی و جریان بار برهم‌دیگر عمودند. در هندسه‌های عرضی٬ می‌توان ابعاد فیزیکیِ قطعه‌ی مورد نظر را به شکل جداگانه تغییر دادو به این طریق خروجی قطعه‌ی موردنظر میزان می‌شود. برای مثال افزایش طول نوار پلوتونیوم در مبدل SSE ولتاژ تامین شده توسط این قطعه را (مستقل از افت دمایی که در طول آن رخ می‌دهد) افزایش می‌دهد درحالی که افزایش پهنای فیلم مغناطیسی باعث افزایش ظرفیت سردسازی در یک کولر SPE می‌شود. از طرف دیگر٬ در کولرهای پلتیر سنتی یا مبدل‌های بار سی‌بک طرح قطعه بسیار پیچیده‌تر است چون گرادیان‌ها و شارها باهم‌دیگر موازی بوده و بنابراین نمی‌توان به شکل انفرادی با تغییر ساده‌ی در هندسه‌ها تنظیم شود. برای تحلیل جزئی‌تر فیزیک و کاربرهای ممکن SSE توجه خواننده را به بررسی مقاله‌ی اخیرمان [3] جلب می‌کنیم.

این رهیافت‌های معادل در سردسازی‌ها و گرمایش‌های حالت جامدی که برپایه‌ی انتقال اسپینی حرارتی بنا شده اکنون در مرحله‌ی پژوهشی پایه قرار دارد. در این مرحله ما هنوز با اهداف پایه‌ای مثل اثبات اثرات فیزیکی موردنظر سروکار داریم. با انجام این‌ کار بایستی همیشه مراقب تحلیل مشاهدات جدید باشیم: حتی سی‌بک خودش اساساً اسم اثر خود را به اشتباه ناشی شده از اندرکنش‌های مغناطیسی گرفت. هرچه این زمینه در درک و فهم علمی مستحکمی جای می‌گیرد با این وجود می‌توانیم نتایج حاصله را در هدایت پروژه‌های تمرکز یافته‌ی مهندسی مثل توسعه‌ی مواد و بهینه‌سازی قطعات در مسیر کاوش انتقال اسپینی حرارتی بکار بریم؛ چیزی که پایه‌ی فناوری‌های تبدیل انرژی محسوب می‌شود.

درباره‌ی نویسندگان:

- جوزف پی. هرمانز (Joseph P. Heremans) استاد مهندسی مکانیک و فیزیک دانشگاه ایالتی اوهایو و محقق برجسته‌ی اوهایو است. پژوهش‌های وی شامل فیزیک تجربی نیم‌رساناهای با گاف کوچک و نانوساختارها و انتقال گرما٬ بار و مغناطش است. وی مدرک پی‌اچ‌دی خود را در رشته‌ی فیزیک کاربردی در سال ۱۹۷۸ از دانشگاه کاتولیک لووین در بلژیک اخذ کرده و به مدت ۲۱ سال در جنرال موتورز و آزمایشگاه‌های پژوهشی دلفی کار کرده است. وی عضو آکادمی ملی مهندسی و همکار انجمن آمریکایی پیشرفت علوم و جامعه‌ی فیزیک آمریکا است.

- استیون آر. بونا (Stephen R. Boona) پژوهش‌گر پسادکترا در آزمایشگاه مواد حرارتی در دانشگاه ایالتی اوهایو است. وی بر مطالعه‌ی اثرات انتقال اسپینی حرارتی (spin caloritronics) تمرکز دارد. پی‌اچ‌دی خود را در علوم و مهندسی مواد در سال ۲۰۱۳ در دانشگاه ایالتی میشیگان تحت نظارت استاد دونالد تی. مورلی به پایان رسانده است. کار پایان‌نامه وی بر جستجوی سازوکارهای مختلف برای حصول اجرای ترموالکتریکی بالا در دماهای پائین در ترکیبات فلزی با ظرفیت افت‌‌وخیز کننده تکیه داشته است. مقدم بر آن وی دوره‌ی کارشناسی و کارشناسی ارشد خود را در فیزیک و فیزیک کاربردی در سال‌های ۲۰۰۸ و ۲۰۱۰ از دانشگاه ایلینوی شمالی طی کرده است.

مراجع:

 1.      K. Uchida, S. Takahashi, K. Harii, J. Ieda, W. Koshibae, K. Ando, S. Maekaw, and E. Saitoh, “Observation of the Spin Seebeck Effect,” Nature 455, 778 (2008).

2.      J. Flipse, F. K. Dejene, D. Wagenaar, G. E. W. Bauer, J. Ben Youssef, and B. J. van Wees, “Observation of the Spin Peltier Effect for Magnetic Insulators,” Phys. Rev. Lett. 113, 027601 (2014).

3.      S. R. Boona, R. C. Myers, and J. P. Heremans, “Spin Caloritronics,” Energy Environ. Sci. 7, 885 (2014).

4.      G. E. W. Bauer, E. Saitoh, and B. J. van Wees, “Spin Caloritronics,” Nature Mater. 11, 391 (2012).

5.      L. Onsager, “Reciprocal Relations in Irreversible Processes. I,” Phys. Rev. 37, 405 (1931); “Reciprocal Relations in Irreversible Processes. II,” 38, 2265 (1931).

6.      J. P. Heremans, C. M. Thrush, and D. T. Morelli, “Geometrical Magnetothermopower in Semiconductors,” Phys. Rev. Lett. 86 2098 (2001).

7.      J. Flipse, F. L. Bakker, A. Slachter, F. K. Dejene, and B. J. van Wees, “Direct Observation of the Spin-Dependent Peltier Effect,” Nature Nanotech. 7, 166 (2012).

8.      C. M. Jaworski, R. C. Myers, E. Johnston-Halperin, and J. P. Heremans, “Giant Spin Seebeck Effect in a Non-Magnetic Material,” Nature 487, 210 (2012).

9.      J. L. Cohn, S. Moshfeghyeganeh, C. A. M. dos Santos, and J. J. Neumeier, “Extreme Thermopower Anisotropy and Interchain Transport in the Quasi-One-Dimensional Metal Li0.9Mo6O17,” Phys. Rev. Lett. 112, 186602 (2014).

منبع: