In hun streven naar efficiënt energiegebruik onderzoeken wetenschappers thermo-elektrische materialen die warmte efficiënt in elektriciteit kunnen omzetten. Eén specifiek type, topologische magneten genaamd, krijgt veel aandacht omdat ze het afwijkende Nernst-effect vertonen. Bij het afwijkende Nernst-effect wordt een spanning gegenereerd loodrecht op zowel de temperatuurgradiënt als een aangelegd magnetisch veld in een ferromagnetisch materiaal.
Hoewel sommige apparaten verbeterde prestaties hebben laten zien door lagen met verschillende thermokrachttekens te combineren in thermozuilapparaten, vereist deze aanpak over het algemeen het gebruik van verschillende materialen en het veranderen van het productieproces.
In een belangrijke doorbraak heeft een samenwerkende onderzoeksgroep het vermogen aangetoond om zowel positieve als negatieve polariteiten te creëren bij het opwekken van elektriciteit uit warmte met behulp van een speciaal materiaal genaamd Co.3Sn2S2, bekend om zijn topologische magneeteigenschappen. Deze doorbraak werd bereikt door simpelweg enkele elementen in de magnetische verbinding uit te wisselen.
De groep werd geleid door universitair hoofddocent Kohei Fujiwara en professor Atsushi Tsukazaki van het Institute for Materials Research (IMR) van Tohoku University; Onderzoeker Takamasa Hirai en Distinguished Group Leader Ken-ichi Uchida van het National Institute for Materials Science (NIMS); en universitair hoofddocent Yuki Yanagi van de prefectuuruniversiteit van Toyama.
Details van hun bevindingen werden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfysica in januari 8, 2024.
"We concentreerden ons op een op kobalt-tin-zwavel gebaseerde ferromagneet omdat de topologische elektronische toestand ervan geschikt is om de polariteit van het afwijkende Nernst-effect te controleren volgens onze eerdere theoretische studie", aldus Fujiwara.
Om hun concept te valideren voerde het team elementaire vervanging uit via de groeiprocessen van de dunne films, een techniek die op grote schaal wordt toegepast halfgeleider technologie. Ze ontdekten dat de juiste vervanging van nikkel en indium leidde tot een omkering van het teken van thermo-elektrische spanning door de modulatie van de topologische elektronische toestand.
“De beschikbaarheid van gemeenschappelijke basiselementen voor de fabricage van thermozuilapparaten zal bijdragen aan de vermindering van hulpbronnen en kosten. Ons concept zal van toepassing zijn op andere topologische magneten en de ontwikkeling van superieure magneto-thermo-elektrische materialen versnellen”, voegt Fujiwara toe.