我科學家提出的谷能斯特效應被法國科學家實驗證實

2020-03-14 11:47:53 來源: 科技日報 作者: 陸成寬

科技日報記者 陸成寬

近日,法國格勒諾布阿爾卑斯大學的Mathieu Jamet研究團隊通過一個精巧的實驗,在單層二硒化鎢中清楚地觀察到了谷能斯特效應,證實了中國科學院大學蘇剛研究團隊2015年給出的理論預言,實驗結果與理論預言值非常吻合,未來在熱電轉換器件的大規模應用上具有較大的發展潛力。

能斯特效應(Nernst effect)是一種橫向熱電效應,指的是在導體或半導體材料中同時施加溫度梯度和垂直于溫度梯度的外磁場時,在垂直于溫度梯度和外磁場的方向上可誘導出電場的效應。該效應是1886年由瓦爾特·赫爾曼·能斯特和阿爾伯特·馮·埃廷豪森發現的,也時常被稱為能斯特-埃廷豪森效應,在半導體、高溫超導體、熱電轉換等領域具有重要應用,是凝聚態物理傳統教科書的內容之一。若材料是鐵磁體,即使沒有外磁場,由于存在自發磁化,當施加垂直于鐵磁體自發磁化方向的溫度梯度時,也會在垂直于自發磁化和溫度梯度的方向上產生橫向電流,被稱為反常能斯特效應。

一般而言,反常能斯特效應要遠大于正常能斯特效應,其物理根源來源于三種散射機制,即斜散射、邊跳以及內稟機制。前兩者屬于外稟機制,由雜質散射誘導引發,而內稟機制則由能帶本身具有的非平庸拓撲結構即能帶的貝里曲率所引起,貝里曲率則起著動量空間有效磁場的作用。

谷能斯特效應(valley Nernst effect)示意圖

能帶電子除了具有電荷和自旋自由度之外,在某些材料中還具有谷自由度。這些谷中的電子由于具有不同的貝里曲率,因而具有不同的手征性。2015年,中國科學院大學蘇剛教授、朱振剛教授和博士生喻小琴聯合丹麥技術大學Jauho教授,研究了單層過渡金屬硫族化物中的自旋能斯特效應,并提出了一個新效應——谷能斯特效應。論文發表后引起了國內外同行的極大興趣。

谷能斯特效應描述的是在縱向溫度梯度驅動下,K能谷與-K能谷的載流子,由于具有不同的手征性,在貝里曲率的作用下,將朝著垂直于溫度梯度的方向偏轉,從而產生橫向能谷流(見圖1)。進一步,當把上述二維材料置于具有磁化的材料上時,能谷的簡并性被移除。如果此時費米能位于適當的位置,則溫度梯度可以誘導出單個能谷、單自旋的橫向電流,也即單能谷、單自旋流。該研究團隊設計提出了一種拓撲能量轉換器即自旋熱電子學電池。該新型電池被設計成H型,在一臂中利用溫度梯度產生橫向自旋流,然后注入另一臂,再利用逆自旋霍爾效應將自旋流轉化為電荷電壓,從而輸出電能。期待人們不久能在實驗上制作出這類基于新原理的自旋熱電子學電池。

法國Jamet等研究人員通過外延生長法,在石墨烯-碳化硅襯墊上,制備了高質量的單層與多層二硒化鎢。為了去除能谷簡并性,又引入一個鎳鐵合金層,通過鐵磁共振自旋泵技術,把單自旋泵浦進二硒化鎢層中,建立了K與-K能谷載粒子的不平衡分布,進而在橫向上產生了可觀察的電壓。他們的測量實驗結果不僅與蘇剛、朱振剛和喻小琴等人給出的理論預言非常吻合,而且由于巨大的能斯特系數,還在實際的熱電轉換器件的大規模應用上具有較大的發展潛力。

通常的熱電器件利用了縱向熱電效應,但其熱電轉換效率受到熱和電難以同時調控的制約。如果利用橫向熱電效應,由于電流和熱流位于垂直的方向,有望實現熱和電的協同調控。并且,橫向器件可以做成大尺寸器件,有利于懸掛在墻壁、屋頂等處,對廢熱利用具有重要意義。實際上,利用橫向反常能斯特效應的熱電器件現在已經開始在實驗室中進行探索。如何利用巨大的能谷能斯特系數來實現高效的熱電轉換將是令人感興趣的研究方向。

二維過渡金屬硫族化物類材料中產生非線性能斯特效應示意圖

最近,蘇剛、朱振剛與湖南大學副教授喻小琴和美國明尼蘇達大學Tony Low與德國德雷斯頓理論固體物理研究所Jhih-Shih You組成的聯合研究團隊,又提出了另一個新效應——非線性能斯特效應。一般說來,當材料中存在時間反演對稱性(在非磁材料中時常滿足)時,由溫度梯度驅動并不能得到凈的橫向電荷流,也就是能斯特電流將消失。該聯合研究團隊進一步發現,消失的是線性能斯特效應。如果材料中的空間反演對稱性破缺,那么溫度梯度可以在橫向產生非線性反常能斯特電流,與溫度梯度的平方成正比,此即非線性能斯特效應。該非線性效應的物理根源來自于非平庸貝里曲率在動量空間分布的對稱結構和能帶對稱結構的不一致性,不能歸因于貝里曲率的偶極矩。該聯合研究團隊詳細計算了施加應力的單層二硫化鉬類材料,顯示了此非線性效應的確會存在,也期待后續實驗的驗證。該工作以快訊形式發表在《物理評論B》上。

該研究成果不僅為能斯特效應家族補充了新成員,使能斯特效應家族(即能斯特效應、反常能斯特效應、自旋能斯特效應、谷能斯特效應和非線性能斯特效應)的理論基礎更為完整,另一方面也為熱電轉換技術提供了新機制,有望為器件廢熱的再利用提供新思路,而熱電器件具有小尺寸、高可靠性、無傳動部件、無噪音、無污染等優點,是實現能源再利用的重要途徑之一。

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責任編輯:劉義陽

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