La découverte d’un matériau capable de transformer la chaleur en électricité avec une efficacité accrue représente un jalon important pour la science des matériaux. Les récentes révélations autour des matériaux magnétiques topologiques et leur potentiel dans la conversion thermoélectrique.
Les matériaux thermoélectriques et l’effet Nernst anormal
Les scientifiques s’intéressent de près aux matériaux thermoélectriques pour leur capacité à convertir la chaleur en électricité. Un type particulier, les magnets topologiques, suscite un intérêt croissant en raison de leur manifestation de l’effet Nernst anormal. Cet effet se caractérise par la génération d’une tension électrique perpendiculaire à la fois au gradient de température et à un champ magnétique appliqué dans un matériau ferromagnétique.
Si certains dispositifs ont montré une performance améliorée en combinant des couches de signes thermo-pouvoirs différents, cette méthode nécessite généralement l’utilisation de divers matériaux et la modification du processus de fabrication.
Une découverte significative dans la recherche de matériaux
Une équipe de recherche collaborative a démontré la possibilité de créer des polarités à la fois positives et négatives dans la génération d’électricité à partir de la chaleur en utilisant un matériau spécial appelé Co3Sn2S2, connu pour ses propriétés de magnétisme topologique. Cette découverte a été réalisée en remplaçant simplement certains éléments dans le composé magnétique.
L’équipe était dirigée par le professeur associé Kohei Fujiwara et le professeur Atsushi Tsukazaki de l’Institut de recherche sur les matériaux (IMR) de l’Université de Tohoku ; le chercheur Takamasa Hirai et le leader de groupe distingué Ken-ichi Uchida de l’Institut national pour les sciences des matériaux (NIMS) ; et le professeur associé Yuki Yanagi de l’Université préfectorale de Toyama.
Les détails de leurs découvertes ont été rapportés dans la revue Nature Physics.
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Validation conceptuelle et implications futures
« Nous nous sommes concentrés sur un ferromagnétique à base de cobalt, d’étain et de soufre car son état électronique topologique est adapté pour contrôler la polarité de l’effet Nernst anormal selon notre étude théorique précédente, » a indiqué Kohei Fujiwara.
Pour valider leur concept, l’équipe a procédé à une substitution d’éléments lors des processus de croissance des films minces, une technique largement utilisée dans la technologie des semi-conducteurs. Ils ont découvert que la substitution appropriée de nickel et d’indium entraînait un renversement du signe de la tension thermoélectrique par la modulation de l’état électronique topologique.
« La disponibilité d’éléments de base communs pour la fabrication de dispositifs thermopiles contribuera à la réduction des ressources et des coûts. Notre concept pourra être appliqué à d’autres aimants topologiques et accélérer le développement de matériaux magnéto-thermoelectriques supérieurs, » ajoute Kohei Fujiwara.
« Bipolarity of large anomalous Nernst effect in Weyl magnet-based alloy films » – Shun Noguchi, Kohei Fujiwara, Yuki Yanagi, Michi-To Suzuki, Takamasa Hirai, Takeshi Seki, Ken-ichi Uchida, and Atsushi Tsukazaki – Nature Physics / DOI: 10.1038/s41567-023-02293-z
