في سعيهم لتحقيق الاستخدام الفعال للطاقة، يبحث العلماء في مواد كهروحرارية يمكنها تحويل الحرارة إلى كهرباء بكفاءة. نوع واحد محدد، يسمى المغناطيس الطوبولوجي، يحظى بالكثير من الاهتمام لأنه يظهر تأثير نيرنست الشاذ. في تأثير نيرنست الشاذ، يتم توليد جهد عمودي على كل من تدرج درجة الحرارة والمجال المغناطيسي المطبق في مادة مغناطيسية حديدية.
في حين أظهرت بعض الأجهزة أداءً محسنًا من خلال الجمع بين الطبقات مع علامات الطاقة الحرارية المختلفة في الأجهزة الحرارية، فإن هذا النهج يتطلب عمومًا استخدام مواد مختلفة وتغيير عملية التصنيع.
في إنجاز كبير، أثبتت مجموعة بحثية تعاونية القدرة على خلق قطبية إيجابية وسلبية في توليد الكهرباء من الحرارة باستخدام مادة خاصة تسمى Co.3Sn2S2، المعروفة بخصائصها المغناطيسية الطوبولوجية. تم تحقيق هذا الإنجاز ببساطة عن طريق تبديل بعض العناصر في المركب المغناطيسي.
ترأس المجموعة البروفيسور المشارك كوهي فوجيوارا والبروفيسور أتسوشي تسوكازاكي من معهد أبحاث المواد بجامعة توهوكو (IMR)؛ الباحث تاكاماسا هيراي ورئيس المجموعة المتميزة كين إيتشي أوشيدا من المعهد الوطني لعلوم المواد (NIMS)؛ والأستاذ المشارك يوكي ياناجي من جامعة محافظة توياما.
ونشرت تفاصيل النتائج التي توصلوا إليها في المجلة فيزياء الطبيعة في يناير 8، 2024.
قال فوجيوارا: "لقد ركزنا على المغناطيس الحديدي المعتمد على الكوبالت والقصدير والكبريت لأن حالته الإلكترونية الطوبولوجية مناسبة للتحكم في قطبية تأثير نيرنست الشاذ وفقًا لدراستنا النظرية السابقة".
للتحقق من صحة مفهومهم، أجرى الفريق استبدال العناصر من خلال عمليات نمو الأغشية الرقيقة، وهي تقنية تستخدم على نطاق واسع في أشباه الموصلات التكنلوجيا. واكتشفوا أن الاستبدال المناسب للنيكل والإنديوم أدى إلى انعكاس إشارة الجهد الكهربي الحراري من خلال تعديل الحالة الإلكترونية الطوبولوجية.
"إن توفر العناصر الأساسية المشتركة لتصنيع أجهزة النوافير الحرارية سوف يسهم في تقليل الموارد والتكاليف. ويضيف فوجيوارا: "سينطبق مفهومنا على مغناطيسات طوبولوجية أخرى وسيعمل على تسريع عملية تطوير مواد مغناطيسية حرارية متفوقة".