Để theo đuổi việc sử dụng năng lượng hiệu quả, các nhà khoa học đang nghiên cứu các vật liệu nhiệt điện có thể biến nhiệt thành điện một cách hiệu quả. Một loại cụ thể, được gọi là nam châm tôpô, đang nhận được nhiều sự chú ý vì chúng thể hiện hiệu ứng Nernst dị thường. Trong hiệu ứng Nernst dị thường, một điện áp được tạo ra vuông góc với cả gradient nhiệt độ và từ trường tác dụng trong vật liệu sắt từ.
Mặc dù một số thiết bị đã cho thấy hiệu suất được cải thiện bằng cách kết hợp các lớp có dấu hiệu nhiệt điện khác nhau trong các thiết bị nhiệt điện, phương pháp này thường yêu cầu sử dụng các vật liệu khác nhau và thay đổi quy trình sản xuất.
Trong một bước đột phá quan trọng, một nhóm hợp tác nghiên cứu đã chứng minh khả năng tạo ra cả cực dương và cực âm trong việc tạo ra điện từ nhiệt bằng cách sử dụng một loại vật liệu đặc biệt có tên Co.3Sn2S2, được biết đến với tính chất nam châm tôpô của nó. Bước đột phá này đạt được chỉ bằng cách hoán đổi một số nguyên tố trong hợp chất từ tính.
Nhóm được dẫn đầu bởi Phó Giáo sư Kohei Fujiwara và Giáo sư Atsushi Tsukazaki từ Viện Nghiên cứu Vật liệu (IMR) của Đại học Tohoku; Nhà nghiên cứu Takamasa Hirai và Trưởng nhóm xuất sắc Ken-ichi Uchida từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (NIMS); và Phó giáo sư Yuki Yanagi từ Đại học tỉnh Toyama.
Chi tiết về phát hiện của họ đã được báo cáo trên tạp chí Vật lý tự nhiên vào ngày 8, 2024.
Fujiwara cho biết: “Chúng tôi tập trung vào chất sắt từ dựa trên coban-thiếc-lưu huỳnh vì trạng thái điện tử tôpô của nó phù hợp để kiểm soát sự phân cực của hiệu ứng Nernst dị thường theo nghiên cứu lý thuyết trước đây của chúng tôi”.
Để xác thực khái niệm của mình, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thay thế nguyên tố thông qua quá trình tăng trưởng của màng mỏng, một kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong bán dẫn công nghệ. Họ phát hiện ra rằng sự thay thế thích hợp của niken và indium đã dẫn đến sự đảo ngược dấu của điện áp nhiệt điện thông qua việc điều chế trạng thái điện tử tôpô.
“Sự sẵn có của các thành phần cơ bản phổ biến để chế tạo các thiết bị nhiệt điện sẽ góp phần giảm tài nguyên và chi phí. Khái niệm của chúng tôi sẽ áp dụng cho các nam châm tôpô khác và đẩy nhanh sự phát triển của các vật liệu nhiệt điện từ vượt trội,” Fujiwara cho biết thêm.