盖世汽车讯 热能发电，也称为热电能转换，已被证明在各种实际应用中具有优势。例如，它已被证明可用于在太空探险和恶劣环境下的军事任务中产生能量，以及回收工业厂房、发电站甚至车辆产生的废热。

热能转化为电能的成功依赖于两种截然不同的效应之一，即塞贝克效应（Seebeck effect）和能斯特效应（Nernst effect）。塞贝克效应发生在两种不同材料以不同温度的连接点连接时，这会在回路中产生电流。另一方面，能斯特效应则涉及在具有温度梯度的材料中产生横向电压。

图片来源： 期刊《Nature Nanotechnology》

迄今为止，能斯特效应主要在时间反演对称性破缺系统中得到证实，具体方法是施加外部磁场或使用磁性材料。然而，最近的物理理论提出了这样一种观点：非线性能斯特效应（NNE）也可能出现在非磁性材料中，尤其是在零外部磁场条件下。

据外媒报道，复旦大学和北京大学的研究人员首次在实验环境中实现了这一想法。相关论文发表在期刊《Nature Nanotechnology》上，介绍了在反演对称性破缺的三层石墨烯（ABA三层石墨烯）中观察到的相当大的非线性能斯特效应。

“我们的研究灵感源自热电领域的独特挑战和机遇，”论文共同通讯作者何攀表示。“传统的能斯特效应是一种利用温度梯度产生横向电压的热电现象，通常需要时间反演对称性的破缺，而这通常需要借助磁场。这一要求对热电器件的小型化和集成化构成了重大挑战。然而，最近，理论预测提出了一种名为NNE的新型现象。”

据推测，NNE可以在非磁性材料中发生，无需施加外部磁场。虽然这对于开发能够将热能转化为电能的器件可能非常有利，但迄今为止，这种效应在实验上难以实现。

“我们的主要目标是率先通过实验观察这种效应，并验证最近的理论预测，”何教授解释说。“为了在非磁性ABA三层石墨烯中观察NNE，我们首先必须制造高质量的霍尔棒器件，并配备微加工的加热器和温度计，以精确控制和测量样品的局部温度梯度。然后，我们在交变热梯度下利用低频电谐波测量来检测非线性能斯特效应。”

何教授和他的同事向加热器施加正弦电流（即按照特定模式平滑且周期性地改变方向的电流）。这在材料中引发了温度梯度，其波动频率是常规频率的两倍。

研究人员发现，NNE最终在材料中表现为四次谐波横向电压，代表了对其产生的温度梯度的二阶响应，这与传统能斯特效应的线性响应不同。

“我们的研究首次在零磁场下对非磁性材料中巨大的NNE进行了实验观测，”何教授说道。“我们在ABA三层石墨烯中测得了2 K下高达300 µVK-1的巨大有效能斯特系数，这比已报道的零磁场下磁性材料的最高值大约高出两个数量级。”

该团队首次在三层石墨烯中观察到无需外部磁场的NNE，这可能具有多种实际意义。最值得注意的是，它为无需磁性材料或外部磁场即可收集热电能提供了一种替代解决方案。未来，该团队的实验方法可用于开发更紧凑的热电器件，这些器件可部署在各种实际环境中。

“我们的工作为未来的研究开辟了几个令人兴奋的方向，”何教授说道。“一个主要目标是将NNE从我们的低温观测（低于12 K）扩展到室温，这对于更广泛的实际应用至关重要。我们计划探索其他时间反转不变和非中心对称材料，这些材料可能在更高温度和其他机制下表现出这种效应。”

作为下一步研究的一部分，何教授和他的同事计划优化他们观察到的NNE。此外，他们还想尝试利用外部磁场来调节这种效应。

“最终，我们的目标是在三维块体材料中实现NNE，以克服二维系统的局限性，”何教授补充道。