Магниты, захламляющие дверцу вашего холодильника, в один прекрасный день могут быть использованы в качестве охлаждающего вещества, согласно новой теории, сформулированной исследователями МИТ.
Теория описывает движение магнонов — квазичастиц в магнитах, которые обладают коллективными вращениями магнитных моментов, или спинами. В дополнение к магнитным моментам магноны проводят тепло. Исследователи МИТ обнаружили, что при воздействии на градиент магнитного поля можно заставить магноны двигаться от одного конца магнита к другому, неся с собой тепло и производя охлаждающий эффект.
«Вы можете перекачать тепло от одной стороны к другой, так что магнит по существу можно использовать как холодильник, — говорит Болинь Ляо, аспирант кафедры Массачусетского института. — Вы можете представить себе беспроводной холодильник, в качестве которого можно применить магнитное поле на расстоянии одного или двух метров, чтобы, скажем, охлаждать ваш ноутбук».
В теории Ляо говорится, что подобному магнитному холодильнику не потребуется никаких движущихся частей, в отличие от обычных холодильников, в которых насос качает жидкость через ряд труб, чтобы сохранять продукты прохладными.
Ляо, наряду с аспирантом Дзявей Чжоу и главой Инженерно-механического факультета Ганг Чэнь, опубликовали документ с подробным описанием магнонной теории охлаждения в журнале «Обзор заметок о физике».
«Люди теперь имеют новую теоретическую основу для изучения того, как магноны двигаются под воздействием сосуществующих температурных и магнитных градиентов, — говорит Ляо. — Это довольно фундаментальные уравнения для магнонного транспорта».
Охлаждающий эффект
В ферромагнетике локальные магнитные моменты можно вращать в различных направлениях. При температуре абсолютного нуля локальные магнитные моменты выравниваются, производя при этом самую значительную магнитную силу в магните. При повышении температуры, магнит ослабевает, поскольку все больше локальных магнитных моментов вращается далеко от общего выравнивания, насыщение магнонами производится при повышенной температуре.
Во многих отношениях магноны похожи на электроны, которые могут одновременно нести электрический заряд и проводить тепло. Электроны движутся в ответ на электрическое поле или температурный градиент — явление, известное как термоэлектрический эффект. В последние годы ученые исследовали этот эффект для новых разработок, таких как термоэлектрические генераторы, которые могут быть использованы для преобразования тепла напрямую в электричество или для охлаждения без каких-либо подвижных частей.
Ляо и его коллеги признали подобное «двойное» явление в магнонах, которое происходит в ответ на две силы: градиент температуры или магнитное поле. На основе того, что магноны ведут себя так же, как и электроны в этом аспекте, исследователи разработали теорию магнонного транспорта на основе принятого уравнения для электронного транспорта, называемого уравнением переноса Больцмана.
С его помощью Ляо, Чжоу и Чэнь составили два новых уравнения для описания магнонного транспорта. С помощью уравнений синтеза они объяснили новый магнонный охлаждающий эффект, похожий на термоэлектрический эффект охлаждения, в котором магноны под воздействием градиента магнитного поля переносят тепло из одного конца магнита к другому.
Мотивация к новым экспериментам
Ляо использовал свойства общего магнитного изолятора для моделирования, этот магнонный эффект охлаждения может работать в существующих магнитных материалах. Он собрал данные для этого материала по предыдущей литературе и учел их при создании новой модели. Он обнаружил, что материал способен генерировать небольшой охлаждающий эффект в ответ на умеренный градиент магнитного поля. Эффект более выражен при криогенных температурах.
Теоретические результаты по первому устройству магнонного охлаждения, предложенные Ляо, могут быть полезны ученым, работающим над проектами беспроводного охлаждения при очень низких температурах.
«На данном этапе есть возможность применения его в криогенных условиях, например, для охлаждения инфракрасных детекторов, — говорит Чэнь. — Тем не менее, мы должны подтвердить наши предположения экспериментально и найти наилучший материал. Мы надеемся, что это послужит мотивацией к новым экспериментам».
Ли Ши, профессор машиностроения в университете штата Техас в Остине, который не принимал участия в исследовании, говорит, что магнонный эффект охлаждения, описанный группой, является «весьма полезной теоретической основой для изучения связи между спином и теплом, и может стимулировать идеи использования твердых магнонов в холодильной системе взамен жидкости».
Ляо указывает, что следует добавить магноны в арсенал инструментов для улучшения существующих термоэлектрических генераторов, которые, хотя и потенциально инновационны в своей способности генерировать электричество из тепла, но относительно неэффективны.
«Термоэлектрикам предстоит еще долгий путь, чтобы конкурировать с традиционными технологиями, — говорит Ляо. — Изучение магнитного поля способно помочь оптимизировать существующие системы и улучшить термоэлектрическую эффективность».
Sergey