הספין האטומי משפיע על התכונות התרמו-אלקטריות

חומרים תרמו-אלקטריים הם חומרים היכולים להפוך חום לחשמל או חשמל לחום – התופעה מכונה אפקט פֶּלטיֶה (Peltier, על שם ז'אן-שארל פלטיה, פיזיקאי וממציא). כאשר יוצרים הפרש טמפרטורות בין שני קצותיו של חומר תרמו-אלקטרי, נוצר זרם של אלקטרונים הנעים מן הקצה החם אל הקצה הקר, ולהפך – זרם חשמלי גורר יצירת הפרש טמפרטורות.

חומרים כאלה פותחו על-ידי נאס"א ומשמשים כמקור אנרגיה לכלי טיס היוצאים לחלל: חומר רדיואקטיבי מתפרק ויוצר הפרש טמפרטורה, וכך מפיקים חשמל. יתרונם בכך שהם אמינים ואינם יוצרים תנודות, בניגוד למערכות חשמליות ומכניות רגילות, המכילות חלקים נעים. חוקרים ישראלים מאוניברסיטת תל אביב טוענים כי אפקט דומה הוא שמאפשר לחרקים מסוימים, החיים באזורים חמים מאוד, לשמור על טמפרטורת גוף נמוכה יותר מטמפרטורת הסביבה.

חרקים אלה אינם מזיעים, אך הם מייצרים חשמל בתהליכים אלקטרוכימיים, וכך מפעילים "מכשיר קירור" טבעי הנמצא בקליפה החיצונית של גופם, ומזרים חום מתוך הגוף החוצה. כאשר חרק כזה חשוף לשמש (למשל בזמן חיפוש מזון), יש ביכולתו, כפי הנראה, להפיק חשמל גם מאור השמש. כך הוא יכול לקרר את גופו ולהישאר פעיל גם בימים חמים מאוד.

בשנים האחרונות התרחב המחקר העוסק בחומרים אלה, בניסיון למצוא אפקט פלטייה חזק יותר שיהיה יעיל יותר לצורכי יישום.

האלקטרונים הנעים במוצקים מוליכים או מוליכים-למחצה נושאים איתם זרם חשמלי, אך גם זרמים אחרים, כגון חום. ואכן, ידוע כי מתכות, שהן מוליכות טובות של חום, הן גם מוליכות טובות של חשמל. אגב, בחומרים מבודדים, שבהם לא מתאפשרת זרימה של אלקטרונים, עובר החום בדרך אחרת – באמצעות תנודות המכונות פונונים (phonons).

האלקטרונים נושאים איתם גם זרם אנטרופיה, ועל כך מבוססת פעולתם של חומרים תרמו-אלקטריים. הוספה של דרגות חופש אחרות - מלבד אלה הקשורות למיקום האלקטרונים ותנועתם במרחב - יכולה להגדיל את האנטרופיה; לדוגמה, הספין של האלקטרונים יכול גם הוא לתרום לאנטרופיה הכוללת, אך הדבר לא נצפה עד עתה.

לפני שנים אחדות נמצאו חומרים בעלי כושר קירור גדול פי עשרה מזה של החומרים המוכרים. כעת מסתבר כי הספין של האלקטרונים הוא הגורם לכך. קבוצת חוקרים אימתה זאת על ידי הצבת דוגמה של החומר NaxCo2O4 בשדה מגנטי חזק – לעיתים בניצב לכיוון הזרם החשמלי ולעיתים במקביל לו. השדה מגביל את האוריינטציה של הספינים במרחב, ומאלץ אותם לפנות לכיוון אחיד. כך נמנעת תרומת הספין לאנטרופיה, וכושר הקירור של החומר יורד משמעותית.

שדה מגנטי אורכי, המקביל לכיוון הזרם, מגביל רק את חופש הספין, אך אינו משנה את האנטרופיה הקיימת הודות לדרגות החופש האחרות; שדה מגנטי הניצב למישור הזרם משפיע על דרגות החופש של הספין שאינן מושפעות מהשדה האורכי. עבורו התלות בעוצמת השדה מורכבת מעט יותר, אך עבור שני כיווני השדה מושגת דעיכה של אפקט פלאטיה.

נמצא הבדל עבור טמפרטורות שונות של סביבת הניסוי: הספין תורם כשני שלישים מכושר הקירור עבור דוגמה בטמפרטורה של 300 מעלות קלווין, הקרובה לטמפרטורת החדר; בטמפרטורה של כ-2 מעלות קלווין, הקרובה לאפס המוחלט, כמעט כל כושר הקירור תלוי בספין. זאת משום שבטמפרטורה כזו האנטרופיה בשל דרגות חופש אחרות יורדת לערכים נמוכים מאוד.

ברוב החומרים התרמו-אלקטריים הספין אינו משפיע על אפקט פלטיה. התגלית בדבר הסיבה לכושר הקירור המוגבר של NaxCo2O4 פותחת פתח ליישומים תוך שימוש בסוג חדש של חומרים, שההרכב הכימי שלהם מאפשר תרומה משמעותית של הספין ולפיכך עלייה משמעותית בכושר הקירור.