utilisant un antiferromagnétique pour les dispositifs solides

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Des chercheurs de l’Institut Max Planck de physique chimique des solides à Dresde, en Allemagne, ainsi que des collaborateurs de l’Ohio State University et de l’Université de Cincinnati, ont découvert, pour la première fois, un effet thermoélectrique géant dans un antiferromagnétique.

L’étude publiée dans Nature Materials montre, de manière surprenante, que les antiferromagnétiques peuvent avoir la même valeur de l’effet Nernst anormal que les ferroaimants conventionnels, mais sans aucun champ magnétique parasite qui affecterait autrement les appareils environnants. La recette récemment découverte pour générer de grandes tensions de Nernst ouvre une nouvelle direction de recherche pour le développement de dispositifs thermoélectriques hautement efficaces.

Forcer les électrons à circuler perpendiculairement à un flux de chaleur nécessite un champ magnétique externe – c’est ce qu’on appelle l’effet Nernst. Dans un matériau magnétisé en permanence (un ferromagnétique), il existe un effet Nernst anormal (ANE) qui peut générer de l’électricité à partir de la chaleur même sans champ magnétique. L’effet Nernst anormal s’adapte au moment magnétique du ferromagnétique. Un antiferromagnétique, avec deux sous-réseaux magnétiques de compensation, ne montre aucun moment magnétique externe et aucun champ magnétique externe mesurable et ne devrait donc présenter aucun ANE. Cependant, nous avons récemment compris que le nouveau concept de topologie peut être appliqué pour obtenir de grands effets de Nernst dans les aimants. En particulier, nous avons appris que la quantité connue sous le nom de phase Berry est liée à l’ANE et peut l’augmenter considérablement. Cependant, l’ANE dans les antiferromagnétiques est encore largement inexplorée, en partie parce que l’on ne pensait pas que l’ANE existait. Remarquablement, une équipe de recherche conjointe du Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids à Dresde, en Allemagne, en collaboration avec des collaborateurs de l’Ohio State University et de l’Université de Cincinnati, a découvert un effet Nernst anormal, plus important que ce qui est connu dans presque tous les ferromagnétiques dans YbMnBi2, un antiferromagnétique.

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L’ANE qui a été observé est probablement le résultat de la topologie, du couplage spin-orbite élevé et de la structure magnétique complexe et non entièrement compensée de YbMnBi2. La structure de spin inclinée dans YbMnBi2 brise la symétrie d’inversion du temps et fournit une courbure de Berry non nulle. Dans le même temps, le grand couplage spin-orbite de l’élément bismuth lourd contribue à produire une grande contribution extrinsèque. Sur la base de cette recette, une certaine classe d’antiferroaimants avec une structure de spin non colinéaire et avec un grand couplage spin-orbite peut présenter un effet Nernst anormal important. Les chercheurs ont été surpris lorsqu’ils ont observé un ANE aussi important dans YbMnBi2, atteignant 6 V/K, ce qui est une valeur record pour les antiferromagnétiques et aussi élevée que les valeurs précédemment observées pour les meilleurs ferroaimants.

Pour des applications pratiques, on pourrait utiliser ce nouveau phénomène pour fabriquer de simples convertisseurs d’énergie : un dispositif thermoélectrique transversal où la tension est générée perpendiculairement au flux de chaleur. Le dispositif est constitué d’un seul bloc de matériau (figure b). Les générateurs thermoélectriques disponibles dans le commerce basés sur l’effet Seebeck sont des assemblages complexes construits à partir de petits blocs de matériaux semi-conducteurs de type n et p (figure a). Contrairement aux ferroaimants, qui souffrent souvent d’une faible mobilité des porteurs, les antiferroaimants peuvent également présenter des mobilités plus élevées et donc une meilleure conductivité électrique. Avec une faible conductivité thermique, une figure de mérite thermoélectrique anormale (zT) est obtenue dans YbMnBi2, qui est un ordre de grandeur supérieur à celui de tous les ferroaimants connus.

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« Bien que la valeur ANE soit étonnamment élevée et que la valeur zT soit bien supérieure à celle des ferroaimants, les performances thermoélectriques globales doivent encore être améliorées pour des applications pratiques », déclare Yu Pan, chef de groupe au département de chimie des solides du MPI. CPfS à Dresde. Elle poursuit : “Néanmoins, cette étude montre le grand potentiel des antiferroaimants pour les applications thermoélectriques, car ils ont de bien meilleures performances que les ferroaimants. Nous pensons que notre travail n’est que le début de la découverte de matériaux thermoélectriques encore plus intéressants à l’avenir.”

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