Una nueva forma de generar electricidad a partir del calor residual: utilizando un antiferromaimán para dispositivos sólidos

• Fecha : 24 de noviembre de 2021
• Fuente : Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos
• Resumen : Los investigadores han descubierto un efecto termoeléctrico gigante en un antiferromagnet. El estudio muestra, sorprendentemente, que los antiferromagnetos pueden tener el mismo valor del efecto Nernst anómalo que los ferroimanes convencionales, pero sin campos magnéticos extraviados que de otro modo afectarían a los dispositivos circundantes.La receta descubierta para generar grandes voltajes Nernst abre una nueva dirección de investigación para el desarrollo de dispositivos termoeléctricos de alta eficiencia.

Forzar a los electrones a fluir perpendicularmente a un flujo de calor requiere un campo magnético externo, esto se conoce como efecto Nernst. En un material permanentemente magnetizado un ferromagnético, existe un efecto Nernst anómalo ANE que puede generar electricidad a partir del calor inclusosin campo magnético. El efecto Nernst anómalo escala con el momento magnético del ferromagnet. Un antiferromagnet, con dos subredes magnéticas compensadoras, no muestra momento magnético externo ni campo magnético externo medible y, por lo tanto, no debería presentar ningún ANE. Sin embargo, recientemente hemosentendido que por el 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 el ANE y puede incrementarlo en gran medida. Sin embargo, el ANE en antiferromagnetosaún está en gran parte inexplorado, en parte porque no se pensó que existiera el ANE. Es de destacar que un equipo de investigación conjunto del Instituto Max Planck paraLa Física Química de Sólidos en Dresde, Alemania, junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Cincinnati, ha encontrado un gran efecto Nernst anómalo, más grande de lo que se conoce en casi todos los ferromagnetos en YbMnBi2, un antiferromagnet.

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 espín inclinado en YbMnBi2 rompe la simetría de inversión del tiempo y proporciona un valor distinto de ceroCurvatura de baya. Al mismo tiempo, el gran acoplamiento espín-órbita del elemento pesado bismuto ayuda a producir una gran contribución extrínseca. Según esta receta, una cierta clase de antiferromagnetos con una estructura de espín no colineal y con una gran órbita de espínEl acoplamiento puede exhibir un gran efecto Nernst anómalo.Los investigadores se sorprendieron cuando observaron un ANE tan grande en YbMnBi2, alcanzando 6 mV / K, que es un valor récord para los antiferromagnetos y tan alto como los valores previamente observados para los mejores ferromagnetos.

Para aplicaciones prácticas, se podría usar este nuevo fenómeno para hacer convertidores de energía simples: un dispositivo termoeléctrico transversal donde el voltaje se genera perpendicular al flujo de calor. El dispositivo consta de un solo bloque de material. Los generadores termoeléctricos disponibles comercialmente basados ​​enEl efecto Seebeck son conjuntos complejos construidos a partir de pequeños bloques de materiales semiconductores de tipo ny p. A diferencia de los ferroimanes, que a menudo sufren de baja movilidad del portador, los antiferromagnetos también pueden exhibir mayor movilidad y, por lo tanto, una mejor conductividad eléctrica. Junto con una baja conductividad térmica,se logra una figura de mérito termoeléctrica anómala zT en YbMnBi2, que es un orden de magnitud superior al de todos los ferroimanes conocidos.

"Aunque el valor de ANE es sorprendentemente grande y el valor de zT es mucho más alto que el de los ferroimanes, el rendimiento termoeléctrico general aún debe mejorarse para aplicaciones prácticas", dice Yu Pan, líder del grupo en el departamento de Química del Estado Sólido enMPI CPfS en Dresde. Ella continúa: "Sin embargo, este estudio muestra el gran potencial de los antiferromagnetos para aplicaciones termoeléctricas, ya que tienen un rendimiento mucho mejor que los ferroimanes. Creemos que nuestro trabajo es solo el comienzo del descubrimiento de materiales termoeléctricos aún más interesantesen el futuro."

Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.

Referencia de la revista :

1. Yu Pan, Congcong Le, Bin He, Sarah J. Watzman, Mengyu Yao, Johannes Gooth, Joseph P. Heremans, Yan Sun, Claudia Felser. Señal de Nernst anómala gigante en el antiferromagnet YbMnBi2 . Materiales naturales , 2021; DOI: 10.1038 / s41563-021-01149-2