Une équipe de recherche du NIMS et de l’UTokyo a proposé et démontré que la conversion magnéto-thermoélectrique transversale dans les matériaux magnétiques peut être utilisée avec des performances beaucoup plus élevées qu’auparavant en développant des matériaux artificiels comprenant des multicouches empilées alternativement et obliquement d’un métal magnétique et d’un semi-conducteur.
Le travail est publié dans la revue Communications naturelles.
Lorsqu’un gradient de température est appliqué à un conducteur magnétique, un courant de charge est généré dans une direction orthogonale aux directions du gradient de température et de la magnétisation du conducteur magnétique.
Ce phénomène magnéto-thermoélectrique transversal, connu sous le nom d’effet Nernst anormal (ANE), a suscité un intérêt considérable pour des applications thermoélectriques potentiellement polyvalentes, durables et peu coûteuses. Actuellement, la recherche de nouveaux matériaux magnétiques axés sur la nature topologique des matériaux se poursuit activement dans le but d’améliorer encore les performances de l’ANE.
Malgré ces efforts, aucun matériau n’a encore été identifié avec des performances de l’ANE à température ambiante supérieures à celles d’un aimant topologique à base de cobalt, c’est-à-dire le Co2MnGa, signalé en 2018, limitant les progrès futurs dans ce domaine. De plus, même cette performance record actuelle du Co2MnGa devrait être améliorée environ plus de 100 fois pour des applications thermoélectriques pratiques.
L’équipe de recherche a récemment développé une multicouche artificiellement inclinée composée de couches alternées d’un métal magnétique et d’un semi-conducteur pour présenter simultanément l’effet Seebeck hors diagonale (ODSE) et l’ANE. Ici, ODSE réalise la conversion thermoélectrique transversale résultant de structures multicouches inclinées sans avoir besoin de champs magnétiques externes ni de magnétisation.
L’équipe a démontré que le facteur de mérite sans dimension de l’ANE dans le matériau artificiel était amélioré de plus d’un ordre, par rapport à celui du même métal magnétique unique, en raison de l’action synergique de l’ANE et de l’ODSE.
Ces résultats indiquent que des facteurs, tels que certains paramètres et structures physiques, qui n’ont pas fait l’objet d’études antérieures sur l’ANE, sont importants pour améliorer les performances de la conversion thermoélectrique transversale.
La recherche fournit de nouvelles lignes directrices pour la conception de nouveaux matériaux pour les matériaux de conversion thermoélectrique transversale basés sur la conception structurelle, ainsi que de nouvelles façons d’utiliser l’ANE, dans une perspective complètement différente de celle des recherches précédentes.
Sur la base de ces lignes directrices, l’équipe de recherche vise à développer des matériaux artificiels à haute performance thermoélectrique pour des applications pratiques telles que la production d’électricité utilisant la chaleur résiduelle et les technologies de refroidissement électronique et de détection de chaleur.
Plus d’informations :
Takamasa Hirai et al, Hybridation de l’effet Nernst anormal dans une multicouche artificiellement inclinée basée sur un matériau topologique magnétique, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-53723-2