Potencial uso de ímãs topológicos para conversão de energia magneto-termelétrica
Dispositivo termopilha composto por dois materiais com polaridades opostas de geração de tensão termoelétrica pelo efeito Nerst anômalo. Crédito:Fujiwara et al. Na busca pela utilização eficiente da energia, os cientistas estão pesquisando materiais termoelétricos que possam transformar eficientemente calor em eletricidade. Um tipo específico, chamado de ímãs topológicos, está recebendo muita atenção porque exibe o efeito Nernst anômalo. No efeito Nernst anômalo, uma tensão é gerada perpendicularmente ao gradiente de temperatura e a um campo magnético aplicado em um material ferromagnético.
Embora alguns dispositivos tenham mostrado melhor desempenho ao combinar camadas com diferentes sinais de termopotência em dispositivos de termopilha, esta abordagem geralmente requer o uso de materiais diferentes e a alteração do processo de fabricação.
Num avanço significativo, um grupo de pesquisa colaborativo demonstrou a capacidade de criar polaridades positivas e negativas na geração de eletricidade a partir do calor usando um material especial chamado Co3 Sn2 S2 , conhecido por suas propriedades magnéticas topológicas. Este avanço foi alcançado simplesmente trocando alguns elementos do composto magnético.
O grupo foi liderado pelo Professor Associado Kohei Fujiwara e pelo Professor Atsushi Tsukazaki do Instituto de Pesquisa de Materiais (IMR) da Universidade de Tohoku; O pesquisador Takamasa Hirai e o distinto líder do grupo Ken-ichi Uchida do Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS); e o professor associado Yuki Yanagi da Universidade da Província de Toyama.
Detalhes de suas descobertas foram relatados na revista Nature Physics em 8 de janeiro de 2024.
"Nós nos concentramos em um ferromagneto à base de cobalto-estanho-enxofre porque seu estado eletrônico topológico é adequado para controlar a polaridade do efeito Nernst anômalo de acordo com nosso estudo teórico anterior", afirmou Fujiwara.
Para validar seu conceito, a equipe conduziu a substituição elementar por meio dos processos de crescimento dos filmes finos, técnica amplamente empregada na tecnologia de semicondutores. Eles descobriram que a substituição adequada do níquel e do índio levava a uma reversão do sinal da tensão termoelétrica por meio da modulação do estado eletrônico topológico.
“A disponibilidade de elementos de base comuns para a fabricação de dispositivos termopilha contribuirá para a redução de recursos e custos. Nosso conceito será aplicado a outros ímãs topológicos e acelerará o desenvolvimento de materiais magneto-termelétricos superiores”, acrescenta Fujiwara.
Mais informações: Shun Noguchi et al, Bipolaridade de grande efeito Nernst anômalo em filmes de liga à base de ímã Weyl, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02293-z Informações do diário: Física da Natureza
