Nel perseguimento di un utilizzo efficiente dell’energia, gli scienziati stanno esaminando materiali termoelettrici che possano trasformare in modo efficiente il calore in elettricità. Un tipo specifico, chiamato magneti topologici, sta ricevendo molta attenzione perché esibisce l'anomalo effetto Nernst. Nell'effetto Nernst anomalo, in un materiale ferromagnetico viene generata una tensione perpendicolare sia al gradiente di temperatura che al campo magnetico applicato.
Sebbene alcuni dispositivi abbiano mostrato prestazioni migliorate combinando strati con diversi segni di potenza termica nei dispositivi a termopila, questo approccio generalmente richiede l’uso di materiali diversi e l’alterazione del processo di produzione.
Con una svolta significativa, un gruppo di ricerca collaborativo ha dimostrato la capacità di creare polarità sia positive che negative nella generazione di elettricità dal calore utilizzando un materiale speciale chiamato Co3Sn2S2, noto per le sue proprietà magnetiche topologiche. Questa svolta è stata ottenuta semplicemente sostituendo alcuni elementi nel composto magnetico.
Il gruppo era guidato dal professore associato Kohei Fujiwara e dal professor Atsushi Tsukazaki dell'Istituto per la ricerca sui materiali (IMR) dell'Università di Tohoku; Il ricercatore Takamasa Hirai e l'illustre leader del gruppo Ken-ichi Uchida dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali (NIMS); e il professore associato Yuki Yanagi dell'Università della prefettura di Toyama.
I dettagli dei loro risultati sono stati riportati nella rivista Fisica della natura gennaio 8, 2024.
"Ci siamo concentrati su un ferromagnete a base di cobalto-stagno-zolfo perché il suo stato elettronico topologico è adatto a controllare la polarità dell'effetto Nernst anomalo secondo il nostro precedente studio teorico", ha affermato Fujiwara.
Per convalidare il loro concetto, il team ha condotto la sostituzione elementare attraverso i processi di crescita dei film sottili, una tecnica ampiamente utilizzata semiconduttore la tecnologia. Hanno scoperto che l'appropriata sostituzione di nichel e indio portava ad un'inversione di segno della tensione termoelettrica attraverso la modulazione dello stato elettronico topologico.
“La disponibilità di elementi di base comuni per la fabbricazione di dispositivi termopila contribuirà alla riduzione di risorse e costi. Il nostro concetto si applicherà ad altri magneti topologici e accelererà lo sviluppo di materiali magneto-termoelettrici superiori”, aggiunge Fujiwara.