En la búsqueda de una utilización eficiente de la energía, los científicos están investigando materiales termoeléctricos que puedan convertir el calor en electricidad de manera eficiente. Un tipo específico, llamado imanes topológicos, está recibiendo mucha atención porque exhiben el anómalo efecto Nernst. En el anómalo efecto Nernst, se genera un voltaje perpendicular tanto al gradiente de temperatura como a un campo magnético aplicado en un material ferromagnético.
Si bien algunos dispositivos han mostrado un rendimiento mejorado al combinar capas con diferentes signos de termopotencia en dispositivos de termopila, este enfoque generalmente requiere el uso de diferentes materiales y la alteración del proceso de fabricación.
En un avance significativo, un grupo de investigación colaborativo ha demostrado la capacidad de crear polaridades positivas y negativas al generar electricidad a partir de calor utilizando un material especial llamado Co.3Sn2S2, conocido por sus propiedades de imán topológico. Este avance se logró simplemente intercambiando algunos elementos del compuesto magnético.
El grupo estuvo dirigido por el profesor asociado Kohei Fujiwara y el profesor Atsushi Tsukazaki del Instituto de Investigación de Materiales (IMR) de la Universidad de Tohoku; el investigador Takamasa Hirai y el distinguido líder del grupo Ken-ichi Uchida del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS); y el profesor asociado Yuki Yanagi de la Universidad de la Prefectura de Toyama.
Los detalles de sus hallazgos fueron reportados en la revista. Física de la naturaleza en enero 8, 2024.
"Nos centramos en un ferroimán a base de cobalto, estaño y azufre porque su estado electrónico topológico es adecuado para controlar la polaridad del efecto Nernst anómalo según nuestro estudio teórico previo", afirmó Fujiwara.
Para validar su concepto, el equipo realizó una sustitución elemental a través de los procesos de crecimiento de las películas delgadas, una técnica ampliamente empleada en semiconductor la tecnología. Descubrieron que la sustitución adecuada de níquel e indio conducía a una inversión del signo del voltaje termoeléctrico mediante la modulación del estado electrónico topológico.
“La disponibilidad de elementos básicos comunes para la fabricación de dispositivos de termopila contribuirá a la reducción de recursos y costos. Nuestro concepto se aplicará a otros imanes topológicos y acelerará el desarrollo de materiales magnetotermoeléctricos superiores”, añade Fujiwara.