Phoenix Science and Technology News czasu pekińskiego 1 sierpnia Science Daily poinformował, że zgodnie z nową teorią zaproponowaną przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology w Stanach Zjednoczonych, magnetyczne naklejki na lodówkę zgromadzone na powierzchni lodówki mogą pewnego dnia zostać użyte jako chłodziwo. Teoria ta opisuje ruch magnonów, które są quasicząstkami magnesów i zbiorowymi rotacjami momentów magnetycznych, czyli „spinami”. Oprócz momentu magnetycznego magnony przewodzą również ciepło. Korzystając z zaproponowanego równania, naukowcy z MIT odkryli, że pod wpływem gradientów pola magnetycznego magnon może przenosić się z jednego końca magnesu na drugi, przenosząc ciepło i wywołując efekt chłodzenia. .
Nowa teoria przewiduje, że magnesy mogą działać jako bezprzewodowe chłodziwa
„Możesz pompować ciepło z jednego końca na drugi, więc zasadniczo możesz użyć magnesu jako lodówki”, mówi Bolin Liao, absolwent Wyższej Szkoły Inżynierii Mechanicznej MIT. „Można sobie wyobrazić scenariusz zastosowania chłodzenia bezprzewodowego, na przykład dodanie pola magnetycznego do magnesu oddalonego o jeden lub dwa metry od komputera w celu chłodzenia komputera”.
Teoretycznie lodówka zasilana polem magnetycznym nie wymagałaby żadnych ruchomych części, w przeciwieństwie do konwencjonalnych lodówek, w których płyn musi być wciągany przez szereg rurek w celu chłodzenia. Liao i inny doktorant Jiawei Zhou oraz Gang Chen, dziekan Wydziału Inżynierii Mechanicznej MIT, opublikowali artykuł na temat teorii chłodzenia magnetonu w czasopiśmie Physical Review Letters.
„Teraz ludzie mają nową teorię, aby zbadać, jak magnonowie poruszają się pod współistniejącymi polami i gradientami temperatury” – powiedział Liao. „Te równania mają fundamentalne znaczenie dla transportu magnon”.
efekt chłodzenia
W substancji ferromagnetycznej zlokalizowane momenty magnetyczne mogą obracać się i ustawiać w różnych kierunkach. Przy zera absolutnym lokalne momenty magnetyczne dopasowują się, aby wytworzyć najsilniejszą siłę magnetyczną w magnesie. Wraz ze stopniowym wzrostem temperatury magnes staje się coraz słabszy, ponieważ coraz więcej zlokalizowanych momentów magnetycznych obraca się od linii wyrównania, a rosnąca temperatura tworzy podzbiór magnetyczny.
Magnony są pod wieloma względami podobne do elektronów, ponieważ zarówno przenoszą energię elektryczną, jak i przewodzą ciepło. Elektrony reagują na pola elektryczne lub gradienty temperatury – zjawisko znane jako efekt termoelektryczny. W ostatnich latach naukowcy badali różne zastosowania tego efektu, takie jak generatory termoelektryczne, które mogą bezpośrednio zamieniać ciepło w energię elektryczną lub uzyskiwać efekt chłodzenia bez żadnych ruchomych części.
Liao i jego koledzy zidentyfikowali podobny efekt „sprzężenia” w magnonach, który reaguje na dwie siły: gradienty temperatury lub pola magnetyczne. Ponieważ magnony i elektrony zachowują się pod tym względem bardzo podobnie, naukowcy zaproponowali teorię transportu magnonów opartą na równaniu transportu Boltzmanna, powszechnie akceptowanym równaniu transportu elektronów w termoelektryce.
Opierając się na wyprowadzeniu tego równania, Liao, Zhou i Chen zaproponowali dwa nowe równania opisujące transport magnon. Korzystając z tych nowych równań, przewidzieli nowy efekt chłodzenia magnon, podobny do efektu chłodzenia termoelektrycznego, w którym magnon przenosi ciepło z jednego końca magnesu na drugi pod wpływem gradientów pola magnetycznego.
stymulować nowe eksperymenty
Liao wykorzystał właściwości popularnych izolatorów pola magnetycznego do modelowania, w jaki sposób efekt chłodzenia magnonów działa w istniejących materiałach pola magnetycznego. Zebrał dane na temat tego materiału z poprzedniej literatury, a następnie wprowadził te dane do nowego modelu. Odkryli, że materiał rzeczywiście ma działanie chłodzące przy umiarkowanych gradientach pola magnetycznego, które są bardzo małe, ale znaczące w niskich temperaturach.
Teoretyczne wyniki sugerują, że pierwsze zastosowania efektów chłodzenia magnon mogą pomóc naukowcom w projektach wymagających bezprzewodowego chłodzenia w bardzo niskich temperaturach. „Na tym etapie potencjalne zastosowania to kriogenika -- na przykład chłodzenie detektorów podczerwieni” – powiedział Chen. „Jednak nadal musimy eksperymentalnie zademonstrować ten efekt i znaleźć lepsze materiały. Mamy nadzieję, że zachęci to do nowych eksperymentów”.
Zidentyfikowany przez zespół efekt chłodzenia polem magnetycznym stanowi „niezwykle przydatne ramy teoretyczne do badania sprzężenia między obrotem a ciepłem, które mogą potencjalnie stymulować koncepcję pod-użytkowania jako „płynu roboczego” w układach chłodniczych w stanie stałym”. Shi nie był zaangażowany w badanie.
Liao wskazuje, że magnon może być również nowym narzędziem do ulepszania istniejących silników termoelektrycznych, które choć innowacyjne, wciąż są stosunkowo nieefektywne. „Wciąż długa droga, aby termoelektryka mogła konkurować z konwencjonalnymi technologiami” – powiedział Liao. „Badanie stopni swobody pola magnetycznego może potencjalnie zoptymalizować istniejące systemy i poprawić wydajność termoelektryczną”.
