我科學家提出的谷能斯特效應被法國科學家實驗證實

2023-03-31 08:34:21

能斯特效應是一種橫向熱電效應，指的是當溫度梯度和垂直於溫度梯度的外部磁場同時施加在導體或半導體材料上時，在垂直於溫度梯度和外部磁場的方向上可以感應出電場的效應這種效應是由瓦爾特·赫爾曼·能斯特和阿爾伯特·馮·艾丁豪森在1886年發現的，通常被稱為能斯特-艾丁豪森效應。它在半導體、高溫超導體、熱電轉換等領域有著重要的應用，是傳統凝聚態物理教材的內容之一。如果材料是鐵磁性體，即使沒有外部磁場，由於自發磁化，當施加垂直於鐵磁性體自發磁化方向的溫度梯度時，將在垂直於自發磁化和溫度梯度的方向上產生橫向電流，這被稱為異常能斯特效應。

一般來說，反常能斯特效應比正常能斯特效應大得多，其物理來源於三種散射機制，即斜散射、側跳和本徵機制前兩種屬於外來機制，是由雜質散射引起的。內在機制是由能帶本身的非平凡拓撲結構，即能帶的貝裡曲率引起的，它在動量空間中充當有效磁場。

谷能斯特效應示意圖

帶電子在某些材料中除了電荷和自旋自由外還有谷自由由於不同的貝裡曲率，這些波谷中的電子具有不同的手性2015年，中國科學院的蘇剛教授、朱正剛教授和博士生於與數據傳輸單元的Jauho教授一起，研究了單層過渡金屬硫族化物中的自旋能斯特效應，並提出了一種新的效應——古納恩斯特效應。這篇論文發表後，引起了國內外同仁的極大興趣。

格蘭斯特效應描述了在縱向溫度梯度的驅動下，K能谷和-K能谷的載流子由於其不同的手性，在貝裡曲率的作用下，將向垂直於溫度梯度的方向偏轉，從而產生橫向能谷流(見圖1)此外，當上述二維材料放置在具有磁化的材料上時，能量谷的簡併被消除如果此時費米能位於適當的位置，溫度梯度會引起單能谷和單自旋的橫向電流，即單能谷和單自旋電流。該研究小組設計並提出了一種拓撲能量轉換器，即自旋電子電池。新電池被設計成H型。在一個臂中，溫度梯度用於產生橫向自旋流，然後將其注入另一個臂。反向自旋霍爾效應用於將自旋流轉換成電荷電壓，從而輸出電能。人們預計不久將能夠根據新的實驗原理生產這種自旋電子電池。法國的

Jamet等研究人員採用外延生長法在石墨烯-碳化矽襯底上製備了高質量的單層和多層二硒化鎢。為了消除能谷的簡併性，引入鎳鐵合金層，通過鐵磁諧振自旋泵技術將單個自旋泵泵入鎢二硒化物層，從而建立K和-K能谷負載粒子的非平衡分布，然後在橫向產生可觀察到的電壓。它們的測量結果不僅與蘇剛、朱正剛和俞的理論預測一致，而且由於能斯特係數巨大，在實際熱電轉換器件的大規模應用中具有很大的發展潛力。

普通熱電裝置利用縱向熱電效應，但是它們的熱電轉換效率受到熱電同時調節的困難的限制。如果使用橫向熱電效應，由於電流和熱流位於垂直方向，因此有望實現熱電的協調調節。此外，橫向裝置可製成大型裝置，有利於掛在牆壁、屋頂等，對餘熱利用具有重要意義事實上，利用橫向反常能斯特效應的熱電裝置現在已經開始在實驗室中進行探索。如何利用巨大的能量格蘭斯特係數實現高效的熱電轉換將是一個有趣的研究方向。

二維過渡金屬硫屬化物材料中非線性能斯特效應的示意圖

最近，由湖南大學副教授蘇剛、朱正剛、俞、明尼蘇達大學的託尼·洛和德國德勒斯登理論固體物理研究所的朱希時友組成的聯合研究小組提出了另一種新的效應——非線性能斯特效應。一般來說，當材料中存在時間反轉對稱性時(這在非磁性材料中經常得到滿足)，淨橫向電荷流不能由溫度梯度驅動，即能斯特電流將消失。聯合研究小組進一步發現，消失的是線性能斯特效應如果對稱破缺在材料中空間反轉，溫度梯度會在橫向產生非線性反常能斯特電流，該電流與溫度梯度的平方成正比，即非線性能斯特效應。這種非線性效應的物理根源來自動量空間中非平凡Berry曲率的對稱結構和帶對稱結構的不一致性，這不能歸因於Jyberg曲率的偶極矩。聯合研究小組詳細計算了單層二硫化鉬材料在應力下的情況，表明非線性效應確實存在，並期待後續實驗的驗證。這項工作以時事通訊的形式發表在《物理評論》上

該研究結果不僅為能斯特效應家族增加了新成員，使能斯特效應家族的理論基礎(即能斯特效應、反常能斯特效應、自旋能斯特效應、格倫能斯特效應和非線性能斯特效應)更加完善，而且為熱電轉換技術提供了新的機制，有望為器件餘熱的再利用提供新思路。熱電器件具有體積小、可靠性高、無傳輸元件、無噪聲、無汙染等優點。是實現能源再利用的重要途徑之一