DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2026.174195
تاريخ النشر: 2026-05-04
المؤلف: Ken‐ichi Uchida وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص المغناطيسية للأفلام الرقيقة
نظرة عامة
يوفر هذا القسم نظرة شاملة على مجال الكالوريتروينكس الدوراني، الذي يدمج بين الإلكترونيات الدورانية والنقل الحراري وخصائص الديناميكا الحرارية. منذ أوائل القرن الحادي والعشرين، تم إحراز تقدم كبير في فهم آليات تحويل الطاقة والتحكم التي تستخدم درجة حرية الدوران. تسلط المراجعة الضوء على التطور التاريخي للكالوريتروينكس الدوراني وتفحص الدراسات التجريبية المتعلقة بتفاعلات الحرارة والشحنة والدوران، مع التأكيد على انتقال المجال من فيزياء المادة المكثفة الأساسية إلى علم المواد.
يستعرض المؤلفون آفاق المستقبل للكالوريتروينكس الدوراني، مع التركيز على التقدم في تقنيات القياس، وعلم المواد، وتطبيقات الهندسة. يتوقعون أن يؤدي دمج الرؤى من مجالات البحث المختلفة إلى اكتشاف مبادئ جديدة وتحسينات في كفاءة التحويل المغناطيسي الحراري والدوراني. تشير المراجعة إلى أهمية تحسين الواجهات والوصلات بين المواد المختلفة للتطبيقات العملية، خاصة في تحويل الطاقة الحرارية العرضية. بينما تركز المناقشة بشكل أساسي على هذه الجوانب، فإنها تعترف بالتأثير المحتمل لتحقيق استجابات مغناطيسية حرارية عملاقة في المواد الكبيرة، مما قد يعزز بشكل كبير تقنيات إدارة الحرارة النشطة.
مقدمة
تستعرض مقدمة ورقة البحث حول الكالوريتروينكس الدوراني تطور هذا المجال، الذي يدمج الحرارة في الإلكترونيات الدورانية، متتبعة أصوله إلى عمل جونسون وسيلسبي في عام 1987 حول تفاعلات الحرارة والشحنة والمغناطيسية في الهياكل المغناطيسية. على الرغم من أن مفهوم تيار الدوران لم يكن قد تم تأسيسه في ذلك الوقت، فقد تم صياغة مصطلح “الكالوريتروينكس الدوراني” في عام 2007 من قبل هاتامي وآخرين، الذين أثبتوا نظريًا أن تدفق الحرارة يمكن أن يحفز عزم نقل الدوران لعكس مغناطيسية المغناطيس. تلا ذلك الملاحظة التجريبية من قبل أوتشيدا وآخرين لتأثير سيبيك الدوراني (SSE) في عام 2008، والذي يمثل تقدمًا كبيرًا من خلال إظهار أن تدرج الحرارة يمكن أن يولد تيار دوران في المعادن المغناطيسية.
لقد توسع مجال الكالوريتروينكس الدوراني منذ ذلك الحين بسرعة، حيث يتميز باكتشاف تأثيرات جديدة في التحويل المغناطيسي الحراري والدوراني، وتنظيم ورش عمل دولية. تهدف المراجعة إلى تصنيف وتلخيص خصائص ظواهر الكالوريتروينكس الدوراني المختلفة، مع التركيز على الظواهر النقلية الناتجة عن تفاعلات الحرارة والشحنة والدوران. تسلط الضوء على التقدم المستمر في تقنيات القياس وعلم المواد، مع الاعتراف بالقيود التي تحد من الاستكشاف المتعمق للمواضيع الفردية. في النهاية، تسعى المراجعة إلى تقديم نظرة شاملة على هذا المجال وتحفيز التعاون بين التخصصات.
الطرق
في سعيها لتقدم الكالوريتروينكس الدوراني، تؤكد هذه القسم على ضرورة الانتقال من الفيزياء الأساسية إلى التطبيقات العملية، خاصة في تقنيات الهندسة الحرارية. يركز على تعزيز أداء التأثيرات المغناطيسية الحرارية، والدورانية، والدوران الحراري. تواجه الأجهزة الحرارية التقليدية القائمة على تأثير سيبيك تحديات مثل خسائر تحويل الطاقة وارتفاع تكاليف التصنيع بسبب هياكل الوصلات المعقدة. بالمقابل، يسمح تطبيق التأثيرات الحرارية العرضية بتصاميم أبسط يمكن أن تحصد الطاقة الحرارية دون وصلات، على الرغم من أن القوة الحرارية العرضية المرتبطة بتأثير نيرنست الشاذ (ANE) لا تزال أقل بكثير من معامل سيبيك، مما يتطلب مزيدًا من الاختراقات للاستخدام العملي.
أدت التقدمات الأخيرة في المواد الطوبولوجية إلى اكتشاف قيم ANE كبيرة، والتي، على الرغم من كونها واعدة، إلا أنها لا تزال لا تصل إلى مستويات كافية لجمع الطاقة بشكل فعال عند درجة حرارة الغرفة. يناقش القسم أساليب مبتكرة، مثل الهياكل الهجينة التي تجمع بين المعادن المغناطيسية وأشباه الموصلات الحرارية، والتي يمكن أن تعزز تحويل الطاقة الحرارية العرضية. من الجدير بالذكر أن تأثير هول الشاذ المدفوع بتأثير سيبيك قد تم تحديده كطريقة لتحقيق قوة حرارية عرضية أعلى من خلال تحسين تركيبات المواد. أظهر تطوير الطبقات المتعددة المائلة اصطناعيًا (ATMLs) تحسينات كبيرة في قدرات التبريد وتوليد الطاقة، حيث حقق مقياس جدارة حوالي 0.3 عند درجة حرارة الغرفة، وهو أعلى بكثير من تلك الخاصة بمواد ANE التقليدية. يحمل هذا الدمج لمبادئ الكالوريتروينكس الدوراني مع تصاميم المواد المتقدمة وعدًا لتطبيقات مستقبلية في جمع الطاقة وتقنيات التبريد.
المناقشة
في هذا القسم، يتم تقديم تصنيف ومناقشة ظواهر الكالوريتروينكس الدوراني، مع التركيز على ثلاث فئات رئيسية: التأثيرات المغناطيسية الحرارية، التأثيرات الحرارية المغناطيسية، وتأثيرات الدوران الحراري. يتم تقسيم التأثيرات المغناطيسية الحرارية إلى تأثيرات طولية وعرضية، مع تسليط الضوء على ظواهر محددة مثل تأثير سيبيك المغناطيسي وتأثير نيرنست. تكون هذه التأثيرات بارزة بشكل خاص في مواد مثل البزموت وسبائكها، على الرغم من أن تطبيقاتها التجارية تظل محدودة بسبب الحاجة إلى مجالات مغناطيسية قوية. تؤكد المراجعة على أهمية تأثير سيبيك المغناطيسي غير المتساوي، الذي يتغير مع الزاوية بين تدرج الحرارة والمغناطيسية، والتقدمات الأخيرة في ملاحظة تأثير بيلتييه المغناطيسي غير المتساوي من خلال تقنيات التصوير الحراري المبتكرة.
تتم مناقشة التأثيرات الحرارية المغناطيسية، بما في ذلك المقاومة الحرارية المغناطيسية وتأثير هول الحراري، كمبادئ للتبديل الحراري المغناطيسي، مع التركيز على تطبيقاتها المحتملة في تقنيات إدارة الحرارة النشطة. من الجدير بالذكر أن المراجعة تشير إلى الدور الكبير للماغنونات في النقل الحراري، خاصة في أفلام الطبقات المغناطيسية المتعددة، حيث يمكن تعديل الموصلية الحرارية من خلال تكوين المغناطيسية. أخيرًا، يتميز تأثير الدوران الحراري بالتحويل بين الحرارة وتيارات الدوران، مع كون تأثير سيبيك المعتمد على الدوران وتأثير بيلتييه الدوراني ظواهر رئيسية. يختتم القسم بتسليط الضوء على أهمية البحث المستمر في هذه المجالات، خاصة في فهم الآليات الأساسية واستكشاف مواد جديدة للتطبيقات المستقبلية في الكالوريتروينكس الدوراني.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2026.174195
Publication Date: 2026-05-04
Author(s): Ken‐ichi Uchida et al.
Primary Topic: Magnetic properties of thin films
Overview
The section provides a comprehensive overview of the field of spin caloritronics, which merges spintronics with thermal transport and thermoelectric properties. Since the early 21st century, significant advancements have been made in understanding energy conversion and control mechanisms that utilize the spin degree of freedom. The review highlights the historical development of spin caloritronics and examines experimental studies related to heat-charge-spin interactions, emphasizing the transition of the field from fundamental condensed matter physics to materials science.
The authors outline future prospects for spin caloritronics, focusing on advancements in measurement techniques, materials science, and engineering applications. They anticipate that integrating insights from various research domains will lead to the discovery of new principles and enhancements in magnetothermoelectric and thermo-spin conversion efficiencies. The review notes the importance of optimizing interfaces and junctions of different materials for practical applications, particularly in transverse thermoelectric conversion. While the discussion primarily centers on these aspects, it acknowledges the potential impact of achieving giant magnetothermoelectric responses in macroscale materials, which could significantly advance active thermal management technologies.
Introduction
The introduction to the research paper on spin caloritronics outlines the evolution of this field, which integrates heat into spintronics, tracing its origins to the 1987 work of Johnson and Silsbee on heat-charge-magnetization interactions in magnetic heterostructures. Although the concept of spin current was not established at that time, the term “spin caloritronics” was coined in 2007 by Hatami et al., who theoretically demonstrated that heat flow could induce spin-transfer torque to reverse the magnetization of a ferromagnet. This was followed by Uchida et al.’s experimental observation of the spin Seebeck effect (SSE) in 2008, which marked a significant advancement by showing that a temperature gradient could generate a spin current in ferromagnetic metals.
The field of spin caloritronics has since expanded rapidly, characterized by the discovery of novel magnetothermoelectric and thermo-spin conversion effects, and the organization of international workshops. The review aims to classify and summarize the properties of various spin-caloritronic phenomena, focusing on transport phenomena resulting from heat-charge-spin interactions. It highlights the ongoing advancements in measurement techniques and materials science, while acknowledging the constraints that limit in-depth exploration of individual topics. Ultimately, the review seeks to provide a comprehensive overview of the field and stimulate interdisciplinary collaborations.
Methods
In the pursuit of advancing spin caloritronics, this section emphasizes the necessity of transitioning from fundamental physics to practical applications, particularly in thermal engineering technologies. The focus is on enhancing the performance of magnetothermoelectric, thermomagnetic, and thermo-spin effects. Traditional thermoelectric devices based on the Seebeck effect face challenges such as energy conversion losses and high manufacturing costs due to their complex junction structures. In contrast, the application of transverse thermoelectric effects allows for simpler designs that can harvest thermal energy without junctions, although the transverse thermopower associated with the anomalous Nernst effect (ANE) remains significantly lower than the Seebeck coefficient, necessitating further breakthroughs for practical use.
Recent advancements in topological materials have led to the discovery of large ANE values, which, despite being promising, still do not reach sufficient levels for effective energy harvesting at room temperature. The section discusses innovative approaches, such as hybrid structures combining magnetic metals and thermoelectric semiconductors, which can enhance transverse thermoelectric conversion. Notably, the Seebeck-effect-driven anomalous Hall effect has been identified as a method to achieve higher transverse thermopower through optimized material combinations. The development of artificially tilted multilayers (ATMLs) has shown significant improvements in cooling and power generation capabilities, achieving a figure of merit around 0.3 at room temperature, which is substantially higher than that of conventional ANE materials. This integration of spin caloritronic principles with advanced material designs holds promise for future applications in energy harvesting and cooling technologies.
Discussion
In this section, the classification and discussion of spin-caloritronic phenomena are presented, focusing on three primary categories: magneto-thermoelectric effects, thermomagnetic effects, and thermo-spin effects. The magneto-thermoelectric effects are further divided into longitudinal and transverse effects, with specific phenomena such as the magneto-Seebeck and Nernst effects highlighted. These effects are particularly pronounced in materials like bismuth and its alloys, although their commercial applications remain limited due to the need for strong magnetic fields. The review emphasizes the significance of the anisotropic magneto-Seebeck effect, which varies with the angle between the temperature gradient and magnetization, and the recent advancements in observing the anisotropic magneto-Peltier effect through innovative thermal imaging techniques.
The thermomagnetic effects, including magneto-thermal resistance and the thermal Hall effect, are discussed as principles for magnetic thermal switching, with a focus on their potential applications in active thermal management technologies. Notably, the review points out the significant role of magnons in thermal transport, particularly in ferromagnetic multilayer films, where thermal conductivity can be modulated by the configuration of magnetization. Finally, the thermo-spin effects are characterized by the conversion between heat and spin currents, with the spin-dependent Seebeck effect and the spin Peltier effect being key phenomena. The section concludes by highlighting the importance of ongoing research in these areas, particularly in understanding the fundamental mechanisms and exploring new materials for future applications in spin caloritronics.