کشف روشی جدید برای تولید برق از آهن‌ربا

 فیزیک‌دانان دانشگاه توکیو به تازگی، روشی جدید برای تولید برق در مواد خاصی به نام آهن‌رباهای "ویل"(Weyl) معرفی نموده‌اند. اساس کار این روش بر پایه‌ی گرادیان‌های دمایی است. روش مزبور راه را برای توسعه‌ی دستگاه‌های سنجش از راه دور بدون نیاز به تعمیر، و یا حتی ایمپلنت‌های پزشکی، هموار می‌سازد.

به گزارش ایسنا به نقل از Nature Physics، پروفسور ساتورو ناکاتسوجی(Satoru Nakatsuji)، از موسسه‌ فیزیک حالت جامد، در این باره می‌گوید: «روش ما از پدیده‌ای به نام اثر نابه‌هنجار نرنست بهره می‌برد، که تاکنون هرگز به این صورت مورد استفاده قرار نگرفته بوده است. من تصور می‌کنم این می‌تواند منبعی قوی برای نسل جدید دستگاه‌های الکترونیکی کم‌مصرف و نیازمند نگهداری اندک، باشد.»

اثر نابه‎هنجار نرنست چیست و چگونه می‌تواند منجر به چنین جهش رو به جلوی بزرگی شود؟

ناکاتسوجی توضیح می‌دهد: «اثر نابه‌هنجار نرنست زمانی حادث می‌گردد که قطعه‌ای مغناطیسی شده از فلز، تحت تأثیر یک گرادیان گرمایی در سراسر خود، ولتاژ تولید کند. در چنین وضعیتی، یک سمت فلز داغ‌تر و سمت دیگر آن، سردتر خواهد شد.»

حالت فوق به پدیده‌ی شناخته شده‌تری به نام اثر سیبک (Seebeck effect) شباهت دارد، که مسئول تولید برق در ترموپیل است. ترموپیل جزء عملکردی در ژنراتورهای ترموالکتریک به حساب می‌آید. دو اثر مذکور در کنار کاربردهای دیگر، در کاوشگرهای فضای بیرونی مانند Voyager و New Horizons نیز به کار گرفته می‌شوند.

در حضور اثر سیبک، ولتاژ بین مناطق گرم و سرد فلز مذکور تولید می‌شود. بنابراین، ولتاژ تولیدی توسط اثر سیبک، موازی با گرادیان دمایی است. با این حال، اثر نابه‌هنجار نرنست، ولتاژ را در طول یک قطعه‌ی مغناطیسی شده از فلز و به صورت عمود بر گرادیان دمایی، تولید می‌کند.

پژوهشگران این اثر را در یک نوع ویژه از فلز (Co2MnGa)، که با نام آهن‌ربای ویل شناخته می‌شود، مشاهده کرده‌اند. این نخستین شواهد آشکار را از وجود فرمیون‌های ویل در یک ماده فراهم می‌آورد. فرمیون‌های ویل ذراتی اساسی‌اند که ویژگی‌های منحربه‌فرد آهنرباهای ویل را ایجاد می‌کنند. این مسئله پیامدهای عملی مهمی دارد.

دستگاه‌های جدید، بسیار ساده‌تر از دستگاه‌هایی هستند که برای اثر سیبک مورد استفاده قرار می‌گیرند. به لطف تولید ولتاژ عمودی به جای نوع موازی، این دستگاه‌ها به جای ساختارهای ستون‌مانند، از لایه‌های نازک‌تری استفاده می‌کنند. همین مسئله موجب می‌شود انعطاف‌پذیرتر بوده و به اشکال متنوعی درآیند.

ناکاتسوجی ادامه می‌دهد: «مواد ما، بسیار متداول‌تر بوده و کاملا غیرسمی‌اند. هم‌چنین تولید دستگاه‌های متوسط می‌تواند بسیار ارزان قیمت‌تر تمام شود. بهتر از همه این که دستگاه‌های جدید، برخلاف دستگاه‌های سابق، کارایی بالاتری در دمای اتاق ارائه می‌دهند. بنابراین، تولید انبوه چنین دستگاه‌هایی را در نظر داریم.»

با این حال، مانعی بر سر راه قرار گرفته است. این روش معمولاً حدود ۰.۱ درصد از ولتاژ تولیدی دستگاه مبتنی بر اثر سیبک را تولید می‌کند؛ حدود ۰.۱ میکروولت در مقایسه با ۱۰۰ میکروولت. بنابراین، ممکن است ما در آینده‌ی نزدیک این فناوری را در کاوشگرهای فضایی نبینیم.

ناکاتسوجی در نهایت می‌گوید: «با این حال، هدف ما این است که روش‌مان را از نظر اثربخشی با اثر سیبک قابل مقایسه سازیم. و حتی پیش از آن، با در نظر گرفتن دیگر مزایا، این فناوری می‌تواند به سرعت با استقبال مواجه شود.»

از زمان کشف ترموپیل آهن‌ربای ویل در سال ۲۰۱۵، که اثر نابه‌هنجار نرنست را بروز می‌دهد، افزایش هزار برابری در بهره‌وری تولید برق توسط این ترموپیل‌ها حاصل شده است. مطالعه‌ی جدید پژوهشگران، با گزارش ۸ میکروولت به ازای هر درجه‌ی کلوین، افزایش عظیمی را نسبت به بیشینه مقدار قبلی نشان می‌دهد که برابر با ۰.۱ میکروولت بود.