热电效应在基础物理方面是反应电子能带结构以及弛豫行为的复杂输运现象，而在实现功能特性方面却非常简单，可以被用来进行温差和电能之间的直接相互转换，是理想的固态制冷和温差发电材料。如何提高热电材料的转换效率是一个在凝聚态和材料物理领域广泛关注的重要问题。近年来，越来越多的研究显示磁性和热电效应具有密切的关系。但二者的相关性至今扑朔迷离。
近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件物理实验室、怀柔研究部孙培杰研究员团队和南方科技大学张文清教授合作，对磁性影响热电效应的一般规律进行了深入研究。从自旋热力学出发，阐明了磁性d电子体系中自旋熵影响热电输运的普适规律，并揭示出磁热效应和热电效应的内在关系，为探索高效磁性热电材料指明了道路。
基于磁性材料中自旋热力学过程的平均场描述，以及典型d电子铁磁、反铁磁、弱铁磁材料的热电效应测量结果，他们发现磁性和热电效应之间通过自旋熵而相互关联。确切地说，磁性材料中存在一个与其自旋熵成比例的热电效应；该效应在具有高自旋熵的顺磁态内最大，在磁有序态内逐渐趋于零。至此，一个非常有趣的关系应运而生，即，磁性材料中的自旋熵引起的潜在磁热效应和热电效应之间紧密相关。
以上对于热电效应的热力学描述可以被大量磁性材料的测量结果所验证。图2(A)中的典型d电子磁性材料的热电效应都在磁相变附近表现出台阶状的变化，与图2(B)中基于比热计算的磁熵完全一致。该研究首次明确指出了在巡游电子磁性材料中普适存在的由自旋熵引起的热电效应，并且在传统的磁热材料和热电材料两个领域之间架起了桥梁。
对于该类磁性材料而言，以自旋熵为纽带，通过研究自旋的热力学行为，可以预测磁性对热电效应的贡献。这对于探索热电磁耦合下的新型热电材料具有重要的意义。