نوروز 96

تولید نیروی الکتریسیته در دمای اتاق بدون مصرف انرژی

گروهی از محققان ژاپنی و چینی روشی برای ساخت نوع جدیدی از ابزارهای الکتریکی بسیار کم مصرف معرفی کرده‌اند که با فیلم‌ها یا پوشش‌های نازک کرومی سروکار دارد.



به گزارش سرویس فناوری ایسنا منطقه خراسان، در دمای بسیار پایین، یک جریان الکتریکی در لبه فیلم‌ها ایجاد می‌شود که هدررفت انرژی نداشته و ضمنا به هیچ میدان مغناطیسی خارجی نیز نیاز ندارد. این پدیده جالب ناشی از خصوصیات فرومغناطیسی مواد است. با این حال تاکنون مشخص نبود که مواد این خصوصیت را چگونه به دست می‌آورند.

محققان دانشگاه هیروشیما برای اولین بار موفق شده‌اند سازوکار این پدیده را مشخص کنند. این موفقیت می‌تواند منجر به تولید ابزارهای برقی جدیدی شود که در آینده در دمای اتاق شروع به کار می‌کنند.

این موفقیت به کشف اثر کوانتومی هال در دهه 1980 برمی‌گردد. در آن زمان جریان الکتریکی در طول لبه یک فیلم ایجاد شد بدون این که انرژی به هدر رود. با این حال این امر هم به میدان مغناطیسی بزرگ و هم به دمای بسیار پایین نیاز داشت، به همین دلیل استفاده عملی از آن امکان‌پذیر نبود.

محققان بر این باورند که این مشکل با مواد جدیدی که عایق‌کننده‌های توپولوجیکال نامیده می‌شوند قابل حل است. این مواد همچون موادی که در Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 یافت می‌شوند دارای خاصیت فرومغناطیسی هستند.

یک عایق‌کننده توپولوجیکی نه یک فلز است و نه یک عایق و دارای خصوصیات عجیب و غریبی است. به عنوان مثال جریان الکتریکی تنها در سطح یا لبه ماده ایجاد می‌شود در حالی که هیچ جریانی در داخل آن به وجود نمی‌آید. درست مثل این که تنها لبه‌ها یا سطح رویی ماده خاصیت فلزی داشته باشد در حالی که درون ماده کاملا عایق است.

لایه بسیار نازکی که از Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 ساخته شده در دمای بسیار پایین خصوصیات عجیبی از خود نشان می‌دهد. از آنجا که خود این لایه فرومغناطیس است، جریان الکتریکی بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی به طور مداوم در آن تولید می‌شود و تنها در اطراف لبه‌های فیلم یا لایه جریان پیدا می‌کند بدون این که هدر رفت انرژی رخ دهد. پیش از این مشخص نبود که چرا این ماده دارای خاصیت فرومغناطیسی است که به آن امکان تولید نیروی الکتریسیته را می‌دهد.

از آنجا که کروم یک عنصر مغناطیسی است، یک اتم کروم معادل یک آهنربا با اندازه‌های اتمی است. در چنین آهنربایی، جهت‌های N و S به واسطه تعاملات بین اتم‌های کروم در یک راستا با هم قرار می‌گیرند. وقتی جهت‌های N و S اتم‌ها در ماده Cr-doped (Sb, Bi)2Te3 به طور موازی در کنار هم قرار می‌گیرند، ماده خاصیت فرومغناطیسی از خود نشان می‌دهد. با این حال فاصله بین اتم‌های کروم در ماده بسیار بیشتر از آن است که بتوانند برهم کنش خوبی با هم انجام داده و ماده را به طور مداوم فرومغناطیس نگه دارند.

محققان دریافتند که عناصر غیرمغناطیسی همچون آنتیموان Sb و تلوریوم Te تعاملات میان اتم‌های کروم را اصلاح کرده و مثل چسبی عمل می‌کنند که جهت‌های N-S اتم‌های کروم را در یک راستا نگه می‌دارد. محققان بر این باورند که این یافته‌ها راهی برای افزایش دمای بحرانی برای کارکرد یکسری ابزارهای خاص به دست می‌دهد که می‌توانند بدون نیاز به هر گونه مصرف انرژی، در دمای اتاق نیروی الکتریسیته تولید کنند.

این یافته‌ها در مجله Nature Communications به چاپ رسیده است.

منبع :