Ett nytt sätt att generera elektricitet i specialmaterial som kallas Weyl -magneter har upptäckts av fysiker vid Tokyos universitet. Metoden utnyttjar temperaturgradienter, temperaturskillnader i ett material. Detta kan bana väg för underhållsfria fjärranalyser eller till och med medicinska implantat.

"Vår metod utnyttjar ett fenomen som kallas den avvikande Nernst -effekten som aldrig tidigare har använts på detta sätt, " säger professor Satoru Nakatsuji vid Institutet för fasta tillståndets fysik. "Jag föreställer mig att detta kan vara kraftkällan för en ny generation lågeffekts, elektroniska enheter med lågt underhåll. Vi har skapat något som ingenjörer för små enheter har väntat på. "

Så vad är denna avvikande Nernst -effekt och hur kan den leda till ett så stort steg framåt?

"Den avvikande Nernst -effekten är när en magnetiserad metallbit genererar en spänning som utsätts för en värmegrad över den, så det är varmare på ena sidan och svalare på den andra, "förklarar Nakatsuji. Detta liknar ett mer etablerat fenomen som kallas Seebeck -effekten, som ansvarar för kraftproduktion i termopiler, de funktionella komponenterna i termoelektriska generatorer. Dessa används i djupa rymdsonder som Voyager och New Horizons, bland annat. Med Seebeck -effekten, spänningen genereras mellan de varma och kalla områdena av metallen i fråga, så det är parallellt med temperaturgradienten. Den avvikande Nernst -effekten genererar emellertid en spänning längs med en magnetiserad metallbit, vinkelrätt mot temperaturgradienten.

Forskarna observerar denna effekt i en speciell typ av metall (Co2MnGa) känd som en Weyl -magnet. Detta ger det första tydliga beviset för förekomsten av Weyl-fermioner i ett material, elementära partiklar som ger Weyl -magneter deras unika egenskaper. Och det finns viktiga praktiska konsekvenser. Enheterna är mycket enklare än de som används för Seebeck -effekten, tunna filmer i motsats till pelarliknande strukturer tack vare den vinkelräta snarare än parallella spänningen. Så de är flexibla och kan göras till en mängd användbara former. "Vårt material, att vara mycket vanligare och helt giftfri betyder också att enheter kan vara mycket billigare att producera, " säger Nakatsuji. "Bäst av allt, till skillnad från tidigare enheter, de är effektiva i rumstemperatur, så massproduktion av sådana anordningar har vi i sikte. "

Det finns dock en fångst, genom att metoden vanligtvis producerar cirka 0,1 % av spänningen för det ekvivalenta Seebeck-effektsystemet, cirka 0,1 mikrovolt jämfört med 100 mikrovolt, så vi kanske inte kommer att se denna teknik i rymdprober när som helst snart. "Dock, vi strävar efter att göra vår metod jämförbar med Seebeck-effekten vad gäller effektivitet, "säger Nakatsuji." Och redan innan dess, med tanke på de andra fördelarna, denna teknik skulle kunna se snabb utbredd användning. "Sedan Weyl magnet termopiler upptäcktes 2015, som uppvisar den anomala Nernst-effekten, det har skett en tusenfaldig ökning av deras kraftgenererande effektivitet, bara med denna senaste upptäckt med 8 mikrovolts per Kelvin, en hel storleksordningsökning över det tidigare maximala rapporterade värdet på cirka 0,1 mikrovolt per Kelvin.

Ingenjörer strävar ständigt efter att förbättra energieffektiviteten för enheter och källorna som ger den kraften. Ett generellt mål är att skapa funktionella enheter, som sensorer, som kunde sättas i arbete och sedan lämnas ensam utan behov av underhåll eller byte av batterier. De skulle generera ström med sina egna Weyl-termopiler med hjälp av omgivande värme eller spillvärme eller kanske till och med solljus. Datavetare kan också vara intresserade av dessa fynd eftersom Weyl-magneter kan vara användbara i framtida höghastighet, datalagringsteknik med hög densitet.

Studien publiceras i Naturfysik .