Комбинации магнитов и сверхпроводников дает большую термоэдс

Термоэлектрические устройства могут охлаждать материалы, проводя ток, или преобразовывать разницу температур в электроэнергию. Однако металлы имеют очень плохие термоэлектрические характеристики, и поэтому большинство термоэлектриков изготавливаются из полупроводников.

Теперь группа исследователей из Университета Ювяскюля, Университета Аалто (Финляндия), Сан-Себастьяна (Испания) и Ольденбургского университета (Германия) показали, что подходящее сочетание магнитных металлов и сверхпроводников может позволить достичь эффективного термоэлектрического преобразования.

Электронная структура полупроводников и сверхпроводников выглядит внешне похоже, потому что оба содержат энергетическую щель, область энергий, запрещенных для электронов. Разница между ними состоит в том, что легирование полупроводников позволяет перемещать эту энергетическую щель по отношению к средней энергии электронов. Это отличается от сверхпроводников, где энергетическая щель симметрична относительно положительных и отрицательных энергий, и поэтому термоэлектрический эффект от электронов с положительной энергией компенсируется эффектом от электронов с отрицательной энергией. В работе Хейккиля (Heikkilä) и международной группы показано, как эта симметрия может быть нарушена присутствием дополнительного магнитного поля и пропусканием электрического тока через магнитный контакт. В результате система продемонстрировала очень большой термоэлектрический эффект.

Поскольку обычные сверхпроводники требуют температуры порядка нескольких градусов Кельвина, этот механизм не может быть использован непосредственно в потребительских устройствах, таких как портативные холодильники или преобразователи отработанного тепла. Тем не менее, он может быть использован для точного обнаружения сигнала, или может быть применен в полупроводниках, чтобы улучшить их термоэлектрические характеристики.

Термоэлектрические эффекты были обнаружены уже в 1830-е годы, когда в Эстонии ученый Томас Иоганн Зеебек наблюдал разность потенциалов, вызванную разницей температур, а французский физик Жан Пельтье обнаружил обратный эффект, способный преобразовывать электрический ток в разность температур. Эти явления были использованы во многих приложениях, начиная от термометрии до охлаждения автомобильных сидений, и в качестве источников питания для космических полетов. Эффективность таких устройств, как правило, довольно низкая. Если ее можно было бы улучшить, то термоэлектрические преобразователи были бы немедленно введены в эксплуатацию для преобразования отработанного тепла в промышленных процессах или, например, в автомобильных двигателях в полезную электроэнергию.

Некоторые металлы превращаются при низких температурах в сверхпроводники, теряя полностью электрическое сопротивление. Долгое время считалось, что сверхпроводники не проявляют термоэлектрические эффекты. Тем не менее, в своей Нобелевской лекции 2003 г. Виталий Гинзбург охарактеризовал тему как плохо изученную. Новое исследование дает понимание этого вопроса и позволяет изучать явления в более сложных гибридных структурах.

В соответствии с недавно опубликованными исследованиями, очень большой термоэлектрический эффект может быть получен в структуре, сочетающей ферромагнетик (F), изолятора (I) и тонкую пленку сверхпроводника (S), и где на сверхпроводник воздействует расщепляющее спин поле, связанное с наличием ферромагнитного диэлектрика (FI) или магнитного поля (В)