مجال ضعيف، تيار قوي: تأثير نيرنست في الغرافين متعدد الطبقات

على الطاولة قطعة من الغرافيت نُمّيت من الغاز، مثل الترسب على جدار المفاعل. عادةً، هذا النوع من المواد لا يصلح لتحويل الحرارة إلى كهرباء: بداخله، تجري الإلكترونات والثقوب في اتجاهين متعاكسين وتلغي بعضها البعض. لكن إذا وُضعت هذه القطعة في مجال مغناطيسي وسُخّنت من أحد أطرافها، تبدأ الشحنات بالتحرك في اتجاه واحد، مثل حشد يوجّهه شرطي إلى مخرج واحد. هذا التأثير، الذي اكتُشف قبل أكثر من مئة عام، يُسمى تأثير نيرنست. حتى الآن، كان يُعتبر ضعيفًا جدًا في الأغشية الكربونية الرخيصة بحيث لا يمكن استخدامه عمليًا.

قام الباحثون بتنمية غشاء من الغرافين متعدد الطبقات بطريقة الترسيب الكيميائي من الطور الغازي. تراوحت سماكة الغشاء بين 20 و100 نانومتر، وكان حجم الحبيبات حوالي 10 ميكرومترات. سُخّن الغشاء باستخدام ليزر تحت الأحمر مركّز بطول موجة 8.1 ميكرومتر وقوة 4 ميلي واط، وكان حجم البقعة حوالي 20 ميكرومترًا. أُنشئ المجال المغناطيسي بواسطة مغناطيسات دائمة، وحُددت قيمته من منحنى المعايرة للمقاومة المغناطيسية. قيس الجهد بين المصرف والمصدر، وكذلك بين مساري هول، مع مسح الليزر على كامل مساحة العينة.

عند تشغيل مجال بقوة 4 ميلي تسلا فقط، أصبح الجهد العرضي عند الحواف مساويًا للجهد الطولي عند التلامس، وأصبحت الإشارة ثابتة. عند المجال الأقصى 315 ميلي تسلا، بلغت القوة الدافعة الحرارية العرضية 270 ميكروفولت لكل كلفن. وهذا يعادل معامل نيرنست 800 ميكروفولت لكل كلفن-تسلا. للمقارنة، في أنتيمونيد الإنديوم، وهو شبه موصل مرجعي عالي الحركة، يبلغ معامل نيرنست حوالي 100 ميكروفولت لكل كلفن-تسلا. بلغت المقاومة المغناطيسية للغشاء عند 1 تسلا 100%، وأعطى ملاءمة الجزء التربيعي حركة (3–5)×10^4 سنتيمتر مربع لكل فولت-ثانية، وهي أعلى من الغرافيت العادي بسبب الطبقات الملتوية.

سابقًا، كان يُعتقد أن الغرافين متعدد الطبقات المُنمّى كيميائيًا له حركة منخفضة جدًا بحيث لا يُظهر تأثير نيرنست ملحوظًا في درجة حرارة الغرفة وفي مجالات ضعيفة. اتضح أن الحركة في مثل هذه الأغشية تصل إلى (3–5)×10^4 سنتيمتر مربع لكل فولت-ثانية، وأن القوة الدافعة الحرارية العرضية تصل إلى 270 ميكروفولت لكل كلفن عند 315 ميلي تسلا فقط، وهو أعلى بعدة مرات من أشباه الموصلات المرجعية. هذا يفتح الطريق أمام مولدات حرارية كهربائية رخيصة تعتمد على الغرافيت، خاصة لاستغلال الحرارة منخفضة الجهد.

لعب المجال المغناطيسي دور المرشد الذي جعل الإلكترونات والثقوب تتحرك في اتجاه واحد، وتبيّن أن الغشاء الكربوني الرخيص هو حراري كهربائي قوي بشكل غير متوقع. اليوم، يمكن تصميم أجهزة تجمع الحرارة المهدورة وتحولها إلى كهرباء باستخدام أغشية الغرافيت ومغناطيسات ضعيفة. قطعة الغرافيت نفسها التي كانت على الطاولة تعد الآن بأن تصبح أساسًا لمولدات تعمل بحرارة راحة اليد أو أنبوب العادم.