Ciencia.-Nuevo horizonte para producir electricidad del calor residual

MADRID, 26 (EUROPA PRESS)

Una investigación del Instituto Max Planck para la Física Química de Sólidos ha abierto una nueva dirección para el desarrollo de dispositivos termoeléctricos de alta eficiencia.

Los investigadores han descubierto un efecto termoeléctrico gigante en un antiferromagneto. El estudio publicado en Nature muestra, sorprendentemente, que los antiferromagnetos pueden tener el mismo valor del efecto Nernst anómalo que los ferroimanes convencionales, pero sin campos magnéticos parásitos que de otro modo afectarían a los dispositivos circundantes.

Forzar a los electrones a fluir perpendicularmente a un flujo de calor requiere un campo magnético externo, esto 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 escala con el momento magnético del ferromagneto. Un antiferromagneto, con dos subredes magnéticas de compensación, no muestra ningún momento magnético externo ni un campo magnético externo medible y, por lo tanto, no debe presentar ningún ANE.

Sin embargo, recientemente hemos entendido que mediante el nuevo concepto de topología se puede aplicar para lograr grandes efectos Nernst en imanes. En particular, hemos aprendido que la cantidad conocida como fase Berry está relacionada con el ANE y puede incrementarlo considerablemente. Sin embargo, el ANE en antiferromagnetos todavía está en gran parte inexplorado, en parte porque no se pensó que existiera el ANE.

Sorprendentemente, un equipo de investigación conjunto del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (MPI CPfS) en Dresde, Alemania, junto con colaboradores de la Universidad Estatal de Ohio y la Universidad de Cincinnati, ha encontrado un gran efecto Nernst anómalo, mayor de lo que se conoce en casi todos ferromagnetos en YbMnBi2, un antiferromagneto.

El ANE que se ha observado es probablemente el resultado de la topología, el alto acoplamiento espín-órbita y la estructura magnética compleja y no completamente compensada de YbMnBi2. La estructura de giro inclinado en YbMnBi2 rompe la simetría de inversión del tiempo y proporciona una curvatura Berry distinta de cero. Al mismo tiempo, el gran acoplamiento espín-órbita del elemento bismuto pesado ayuda a producir una gran contribución extrínseca.

Con base en esta receta, una cierta clase de antiferromagnetos con una estructura de espín no colineal y con un gran acoplamiento espín-órbita pueden exhibir un gran efecto de Nernst anómalo. Los investigadores se sorprendieron cuando observaron un ANE tan grande en YbMnBi2, que alcanzó los 6 mV/K, que es un valor récord para los antiferromagnetos y tan alto como los valores previamente observados para los mejores ferroimanes.

Para aplicaciones prácticas, se podría utilizar este nuevo fenómeno para hacer convertidores de energía simples: un dispositivo termoeléctrico transversal donde el voltaje se genera perpendicular al flujo de calor. El dispositivo consta de un solo bloque de material. Los generadores termoeléctricos disponibles comercialmente basados en el efecto Seebeck son conjuntos complejos construidos a partir de pequeños bloques de materiales semiconductores de tipo n- y p-.

A diferencia de los ferroimanes, que a menudo sufren de una baja movilidad del portador, los antiferromagnetos también pueden exhibir mayor movilidad y, por lo tanto, mostrar una mejor conductividad eléctrica. Junto con la baja conductividad térmica, se logra una figura de mérito termoeléctrico anómala (zT) en YbMnBi2, que es un orden de magnitud superior al de todos los ferroimanes conocidos.

"Aunque el valor de ANE es sorprendentemente grande y el valor de zT es mucho más alto que el de los ferroimanes, el rendimiento termoeléctrico general aún debe mejorarse para aplicaciones prácticas", dice en un comunicado Yu Pan, líder del grupo en el departamento de Química del Estado Sólido en el MPI CPfS en Dresde. "Sin embargo, este estudio muestra el gran potencial de los antiferromagnetos para aplicaciones termoeléctricas, ya que tienen un rendimiento mucho mejor que los ferroimanes. Creemos que nuestro trabajo es solo el comienzo del descubrimiento de materiales termoeléctricos aún más interesantes en el futuro", agregó.