I jakten på effektivt energiutnyttjande tittar forskare på termoelektriska material som effektivt kan omvandla värme till elektricitet. En specifik typ, som kallas topologiska magneter, får mycket uppmärksamhet eftersom de uppvisar den anomala Nernst-effekten. I den anomala Nernst-effekten genereras en spänning vinkelrätt mot både temperaturgradienten och ett applicerat magnetfält i ett ferromagnetiskt material.
Även om vissa enheter har visat förbättrad prestanda genom att kombinera lager med olika termoeffekttecken i termostapelenheter, kräver detta tillvägagångssätt i allmänhet användning av olika material och ändring av tillverkningsprocessen.
I ett betydande genombrott har en samarbetande forskargrupp visat förmågan att skapa både positiva och negativa polariteter vid generering av el från värme med hjälp av ett speciellt material som kallas Co3 Sn2 S2 , känd för sina topologiska magnetegenskaper. Detta genombrott uppnåddes genom att helt enkelt byta ut några element i den magnetiska föreningen.
Gruppen leddes av docent Kohei Fujiwara och professor Atsushi Tsukazaki från Tohoku Universitys institut för materialforskning (IMR); Forskaren Takamasa Hirai och Distinguished Group Leader Ken-ichi Uchida från National Institute for Materials Science (NIMS); och docent Yuki Yanagi från Toyama Prefectural University.
Detaljer om deras fynd rapporterades i tidskriften Nature Physics den 8 januari 2024.
"Vi fokuserade på en kobolt-tenn-svavelbaserad ferromagnet eftersom dess topologiska elektroniska tillstånd är lämpat för att kontrollera polariteten hos den anomala Nernst-effekten enligt vår tidigare teoretiska studie," sade Fujiwara.
För att validera sitt koncept genomförde teamet elementär substitution genom tillväxtprocesserna för de tunna filmerna, en teknik som är allmänt använd inom halvledarteknologi. De upptäckte att lämplig ersättning av nickel och indium ledde till en omkastning av termoelektrisk spännings tecken genom moduleringen av det topologiska elektroniska tillståndet.
"Tillgängligheten av gemensamma baselement för tillverkning av termostapelanordningar kommer att bidra till att minska resurser och kostnader. Vårt koncept kommer att tillämpas på andra topologiska magneter och påskynda utvecklingen av överlägsna magneto-termoelektriska material", tillägger Fujiwara.
Mer information: Shun Noguchi et al, Bipolarity of large anomalous Nernst effect in Weyl magnet-baserade legeringsfilmer, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02293-z
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Tohoku University
