Potentiel brug af topologiske magneter til magneto-termoelektrisk energiomdannelse

I jagten på effektiv energiudnyttelse undersøger forskere termoelektriske materialer, der effektivt kan omdanne varme til elektricitet. En specifik type, kaldet topologiske magneter, får meget opmærksomhed, fordi de udviser den unormale Nernst-effekt. I den unormale Nernst-effekt genereres en spænding vinkelret på både temperaturgradienten og et påført magnetfelt i et ferromagnetisk materiale.

Mens nogle enheder har vist forbedret ydeevne ved at kombinere lag med forskellige termoeffekt-tegn i termopile-enheder, kræver denne tilgang generelt brugen af ​​forskellige materialer og ændring af fremstillingsprocessen.

I et væsentligt gennembrud har en forskergruppe demonstreret evnen til at skabe både positive og negative polariteter ved at generere elektricitet fra varme ved hjælp af et særligt materiale kaldet Co₃ Sn₂ S₂ , kendt for sine topologiske magnetegenskaber. Dette gennembrud blev opnået ved blot at udskifte nogle elementer i den magnetiske forbindelse.

Gruppen blev ledet af lektor Kohei Fujiwara og professor Atsushi Tsukazaki fra Tohoku University's Institute for Materials Research (IMR); Forsker Takamasa Hirai og Distinguished Group Leader Ken-ichi Uchida fra National Institute for Materials Science (NIMS); og lektor Yuki Yanagi fra Toyama Prefectural University.

Detaljer om deres resultater blev rapporteret i tidsskriftet Nature Physics den 8. januar 2024.

"Vi fokuserede på en kobolt-tin-svovl-baseret ferromagnet, fordi dens topologiske elektroniske tilstand er egnet til at kontrollere polariteten af ​​den unormale Nernst-effekt ifølge vores tidligere teoretiske undersøgelse," udtalte Fujiwara.

For at validere deres koncept gennemførte holdet elementær substitution gennem vækstprocesserne for de tynde film, en teknik, der i vid udstrækning anvendes i halvlederteknologi. De opdagede, at den passende substitution af nikkel og indium førte til en vending i termoelektrisk spændings fortegn gennem moduleringen af ​​den topologiske elektroniske tilstand.

"Tilgængeligheden af ​​fælles basiselementer til fremstilling af termopile-enheder vil bidrage til reduktion af ressourcer og omkostninger. Vores koncept vil gælde for andre topologiske magneter og fremskynde udviklingen af ​​overlegne magneto-termoelektriske materialer," tilføjer Fujiwara.

Flere oplysninger: Shun Noguchi et al, Bipolarity of large anomalous Nernst effect in Weyl magnet-based legering film, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02293-z

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Tohoku University