La investigación del Instituto Max Planck de Física Química Sólida ha abierto una nueva vía para el desarrollo de dispositivos termoeléctricos de alta eficiencia.
Los investigadores han descubierto un efecto termoeléctrico gigante en un antiferromagnético. El estudio publicado en Nature muestra sorprendentemente que los antiferromagnéticos pueden tener el mismo valor de efecto Nernst anómalo que los ferro-imanes convencionales, pero sin campos magnéticos parásitos que de otro modo afectarían a los dispositivos circundantes.
Forzar a los electrones a fluir perpendicularmente a un flujo de calor requiere un campo magnético externo, esto se llama efecto Nernst. En un material permanentemente magnetizado (un ferromagnético), existe un efecto Nernst anormal (ANE) que puede generar electricidad a partir del calor incluso sin un campo magnético. El efecto Nernst anormal se escala con el momento magnético del ferromagnético. Un antiferromagnético, con dos subredes magnéticas de compensación, no muestra un momento magnético externo o un campo magnético externo medible y, por lo tanto, no debe presentar ANE.
Sin embargo, recientemente comprendimos que mediante el uso del nuevo concepto de topología se puede aplicar para lograr grandes efectos Nernst en imanes. En particular, hemos aprendido que la cantidad conocida como fase Berry está relacionada con ANE y puede aumentarla considerablemente. Sin embargo, el ANE en los antiferromagnéticos todavía está en gran parte inexplorado, en parte porque no se creía que existiera el ANE.
Sorprendentemente, un equipo de investigación conjunto del Instituto Max Planck de Física Química Sólida (MPI CPfS) en Dresde, Alemania, junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Cincinnati, encontraron un gran efecto Nernst anómalo, superior a lo que se conoce. en casi todos los ferro-imanes en YbMnBi2, un antiferromagnético.
El ANE que se ha observado es probablemente el resultado de la topología, el alto acoplamiento espín-órbita y la estructura magnética compleja y no completamente compensada de YbMnBi2. La estructura de giro inclinado en YbMnBi2 rompe la simetría de inversión de tiempo y proporciona una curvatura de doblez distinta de cero. Al mismo tiempo, el gran acoplamiento espín-órbita del elemento pesado bismuto ayuda a producir una gran contribución extrínseca.
Con base en esta receta, una cierta clase de antiferromagnetos con una estructura de espín no colineal y con un gran acoplamiento espín-órbita pueden exhibir un gran efecto de Nernst anómalo. Los investigadores se sorprendieron cuando observaron un ANE tan grande en YbMnBi2, que alcanzó los 6 mV / K, que es un valor récord para los antiferromagnéticos y tan alto como los valores previamente observados para los mejores ferro-imanes.
Para aplicaciones prácticas, este nuevo fenómeno podría usarse para fabricar convertidores de potencia simples: un dispositivo termoeléctrico transversal donde se genera voltaje perpendicular al flujo de calor. El dispositivo está hecho de un solo bloque de material. Los generadores termoeléctricos disponibles comercialmente basados en el efecto Seebeck son conjuntos complejos construidos a partir de pequeños bloques de materiales semiconductores de tipo ny tipo p.
A diferencia de los ferromagnetos, que a menudo sufren de una baja movilidad del portador, los antiferromagnetos también pueden exhibir una mayor movilidad y, por lo tanto, una mejor conductividad eléctrica. Junto con la baja conductividad térmica, se logra una figura de mérito termoeléctrico anormal (zT) en YbMnBi2, que es un orden de magnitud mayor que todos los ferro-imanes conocidos.
«Aunque el valor de ANE es sorprendentemente alto y el valor de zT es mucho más alto que el de los ferro-imanes, el rendimiento termoeléctrico general aún debe mejorarse para aplicaciones prácticas», dijo Yu Pan, líder del grupo en el departamento de estado sólido. química en el MPI CPfS de Dresde. Sin embargo, este estudio muestra el gran potencial de los antiferromagnéticos para aplicaciones termoeléctricas, ya que funcionan mucho mejor que los ferro-imanes. Creemos que nuestro trabajo es solo el comienzo del descubrimiento de materiales termoeléctricos aún más interesantes en el futuro ”, agregó. .
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