25.11.2021 - Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

Una nueva forma de generar electricidad a partir del calor residual: uso de un antiferromagneto para dispositivos sólidos

Descubierto un efecto termoeléctrico gigante en un antiferromagneto

Investigadores del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos de Dresde (Alemania), junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Cincinnati, han descubierto, por primera vez, un efecto termoeléctrico gigante en un antiferromagneto.

El estudio publicado en Nature Materials muestra, sorprendentemente, que los antiferromagnetos pueden tener el mismo valor del efecto Nernst anómalo que los ferromagnetos convencionales, pero sin campos magnéticos parásitos que, de otro modo, afectarían a los dispositivos circundantes. La receta recién descubierta para generar grandes voltajes Nernst abre una nueva dirección de investigación para el desarrollo de dispositivos termoeléctricos altamente eficientes.

Para obligar a los electrones a fluir perpendicularmente a un flujo de calor se necesita un campo magnético externo, lo que se conoce como efecto Nernst. En un material permanentemente magnetizado (un ferromagneto), existe un efecto Nernst anómalo (ANE) que puede generar electricidad a partir del calor incluso sin un campo magnético. El efecto Nernst anómalo aumenta con el momento magnético del ferromagneto. Un antiferromagneto, con dos subredes magnéticas compensadoras, no muestra ningún momento magnético externo ni campo magnético externo medible y, por tanto, no debería presentar ningún ANE. Sin embargo, recientemente hemos comprendido que mediante el nuevo concepto de topología se pueden conseguir grandes efectos Nernst en los imanes. En particular, hemos aprendido que la cantidad conocida como fase Berry está relacionada con el ANE y puede aumentarlo en gran medida. Sin embargo, la ANE en los antiferromagnetos sigue estando en gran parte inexplorada, en parte porque se pensaba que la ANE no existía. Sorprendentemente, un equipo de investigación conjunto del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos de Dresde (Alemania), junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Cincinnati, ha encontrado un gran efecto Nernst anómalo, mayor que el conocido en casi todos los ferromagnetos en el YbMnBi2, un antiferromagneto.

El ANE que se ha observado es probablemente el resultado de la topología, el elevado acoplamiento espín-órbita y la compleja y no totalmente compensada estructura magnética del YbMnBi2. La estructura de espín inclinada en YbMnBi2 rompe la simetría de inversión temporal y proporciona una curvatura de Berry no nula. Al mismo tiempo, el gran acoplamiento espín-órbita del elemento pesado de bismuto ayuda a producir una gran contribución extrínseca. Basándose en esta receta, una determinada clase de antiferromagnéticos con una estructura de espín no colineal y con un gran acoplamiento espín-órbita puede mostrar un gran efecto Nernst anómalo. Los investigadores se sorprendieron cuando observaron un ANE tan grande en el YbMnBi2, alcanzando 6 V/K, que es un valor récord para los antiferromagnetos y tan alto como los valores observados anteriormente para los mejores ferromagnetos.

En cuanto a las aplicaciones prácticas, se podría utilizar este nuevo fenómeno para fabricar convertidores de energía sencillos: un dispositivo termoeléctrico transversal en el que el voltaje se genera de forma perpendicular al flujo de calor. El dispositivo consta de un solo bloque de material (figura b). Los generadores termoeléctricos disponibles en el mercado, basados en el efecto Seebeck, son conjuntos complejos construidos a partir de pequeños bloques de materiales semiconductores de tipo n y p (figura a). A diferencia de los ferromagnetos, que suelen tener una baja movilidad de portadores, los antiferromagnetos pueden presentar movilidades más altas y, por tanto, una mejor conductividad eléctrica. Junto con la baja conductividad térmica, en el YbMnBi2 se alcanza una figura de mérito termoeléctrica anómala (zT), que es un orden de magnitud superior a la de todos los ferromagnetos conocidos.

"Aunque el valor de ANE es sorprendentemente grande y el valor de zT es mucho más alto que el de los ferromagnetos, el rendimiento termoeléctrico global aún debe mejorarse para las aplicaciones prácticas", afirma Yu Pan, jefe de grupo del departamento de Química del Estado Sólido del MPI CPfS de Dresde. Y continúa: "No obstante, este estudio demuestra el gran potencial de los antiferromanes para las aplicaciones termoeléctricas, ya que tienen un rendimiento mucho mayor que los ferromanes. Creemos que nuestro trabajo es sólo el principio del descubrimiento de materiales termoeléctricos aún más interesantes en el futuro."

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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