科技日报记者 陆成宽
近日，法国格勒诺布阿尔卑斯大学的Mathieu Jamet研究团队通过一个精巧的实验，在单层二硒化钨中清楚地观察到了谷能斯特效应，证实了中国科学院大学苏刚研究团队2015年给出的理论预言，实验结果与理论预言值非常吻合，未来在热电转换器件的大规模应用上具有较大的发展潜力。
能斯特效应（Nernst effect）是一种横向热电效应，指的是在导体或半导体材料中同时施加温度梯度和垂直于温度梯度的外磁场时，在垂直于温度梯度和外磁场的方向上可诱导出电场的效应。该效应是1886年由瓦尔特·赫尔曼·能斯特和阿尔伯特·冯·埃廷豪森发现的，也时常被称为能斯特-埃廷豪森效应，在半导体、高温超导体、热电转换等领域具有重要应用，是凝聚态物理传统教科书的内容之一。若材料是铁磁体，即使没有外磁场，由于存在自发磁化，当施加垂直于铁磁体自发磁化方向的温度梯度时，也会在垂直于自发磁化和温度梯度的方向上产生横向电流，被称为反常能斯特效应。
一般而言，反常能斯特效应要远大于正常能斯特效应，其物理根源来源于三种散射机制，即斜散射、边跳以及内禀机制。前两者属于外禀机制，由杂质散射诱导引发，而内禀机制则由能带本身具有的非平庸拓扑结构即能带的贝里曲率所引起，贝里曲率则起着动量空间有效磁场的作用。
谷能斯特效应（valley Nernst effect）示意图
能带电子除了具有电荷和自旋自由度之外，在某些材料中还具有谷自由度。这些谷中的电子由于具有不同的贝里曲率，因而具有不同的手征性。2015年，中国科学院大学苏刚教授、朱振刚教授和博士生喻小琴联合丹麦技术大学Jauho教授，研究了单层过渡金属硫族化物中的自旋能斯特效应，并提出了一个新效应——谷能斯特效应。论文发表后引起了国内外同行的极大兴趣。
谷能斯特效应描述的是在纵向温度梯度驱动下，K能谷与-K能谷的载流子，由于具有不同的手征性，在贝里曲率的作用下，将朝着垂直于温度梯度的方向偏转，从而产生横向能谷流（见图1）。进一步，当把上述二维材料置于具有磁化的材料上时，能谷的简并性被移除。如果此时费米能位于适当的位置，则温度梯度可以诱导出单个能谷、单自旋的横向电流，也即单能谷、单自旋流。该研究团队设计提出了一种拓扑能量转换器即自旋热电子学电池。该新型电池被设计成H型，在一臂中利用温度梯度产生横向自旋流，然后注入另一臂，再利用逆自旋霍尔效应将自旋流转化为电荷电压，从而输出电能。期待人们不久能在实验上制作出这类基于新原理的自旋热电子学电池。