Un nuovo modo per generare elettricità in materiali speciali chiamati magneti Weyl è stato scoperto dai fisici dell'Università di Tokyo. Il metodo sfrutta gradienti di temperatura, differenze di temperatura in tutto un materiale. Ciò potrebbe aprire la strada a dispositivi di telerilevamento esenti da manutenzione o persino a impianti medici.

"Il nostro metodo sfrutta un fenomeno chiamato effetto anomalo Nernst che non è mai stato utilizzato in questo modo prima, " afferma il professor Satoru Nakatsuji dell'Istituto di fisica dello stato solido. "Immagino che questa potrebbe essere la fonte di energia per una nuova generazione di dispositivi a bassa potenza, dispositivi elettronici a bassa manutenzione. Abbiamo creato qualcosa che gli ingegneri di piccoli dispositivi stavano aspettando."

Quindi cos'è questo anomalo effetto Nernst e come potrebbe portare a un così grande balzo in avanti?

"L'effetto anomalo di Nernst si ha quando un pezzo di metallo magnetizzato genera una tensione soggetta a un gradiente di calore attraverso di esso, quindi fa più caldo da un lato e più fresco dall'altro, " spiega Nakatsuji. Questo è simile a un fenomeno più consolidato chiamato effetto Seebeck, responsabile della produzione di energia nelle termopile, i componenti funzionali dei generatori termoelettrici. Questi sono usati nelle sonde dello spazio profondo come Voyager e New Horizons, tra le altre cose. Con l'effetto Seebeck, la tensione viene generata tra le regioni calde e fredde del metallo in questione, quindi è parallelo al gradiente di temperatura. L'effetto Nernst anomalo genera invece una tensione lungo la lunghezza di un pezzo di metallo magnetizzato, perpendicolare al gradiente di temperatura.

I ricercatori osservano questo effetto in un tipo speciale di metallo (Co2MnGa) noto come magnete Weyl. Ciò fornisce la prima chiara prova dell'esistenza di fermioni di Weyl in un materiale, particelle elementari che conferiscono ai magneti Weyl le loro proprietà uniche. E ci sono importanti implicazioni pratiche. I dispositivi sono molto più semplici di quelli utilizzati per l'effetto Seebeck, film sottili rispetto a strutture a colonna grazie a quella tensione perpendicolare anziché parallela. Quindi sono flessibili e possono essere trasformati in una varietà di forme utili. "I nostri materiali, essendo molto più comuni e completamente atossici significa anche che i dispositivi possono essere molto più economici da produrre, " dice Nakatsuji. "Meglio di tutto, a differenza dei dispositivi precedenti, sono efficienti a temperatura ambiente, quindi la produzione di massa di tali dispositivi è nel nostro mirino".

C'è un problema però, in quanto il metodo di solito produce circa lo 0,1% della tensione del sistema ad effetto Seebeck equivalente, circa 0,1 microvolt rispetto a 100 microvolt, quindi potremmo non vedere questa tecnologia nelle sonde spaziali in qualunque momento presto. "Però, miriamo a rendere il nostro metodo comparabile con l'effetto Seebeck in termini di efficienza, " dice Nakatsuji. "E anche prima di allora, visti gli altri vantaggi, questa tecnologia potrebbe vedere una rapida adozione diffusa." Dalla scoperta delle termopile magnetiche Weyl nel 2015, che esibiscono l'anomalo effetto Nernst, c'è stato un aumento di mille volte nella loro efficienza di generazione di energia, solo con questa recente scoperta osservando 8 microvolt per Kelvin, un aumento di un intero ordine di grandezza rispetto al precedente valore massimo riportato di circa 0,1 microvolt per Kelvin.

Gli ingegneri si sforzano continuamente di migliorare l'efficienza energetica dei dispositivi e delle fonti che forniscono tale alimentazione. Un obiettivo generale è creare dispositivi funzionali, come sensori, che potrebbero essere messi al lavoro e poi lasciati soli senza bisogno di manutenzione o sostituzione delle batterie. Genererebbero energia con i propri dispositivi Weyl-termopile utilizzando l'ambiente o il calore di scarto o forse anche la luce solare. Anche gli informatici potrebbero essere interessati a questi risultati poiché i magneti Weyl potrebbero essere utili in futuro ad alta velocità, tecnologie di archiviazione dati ad alta densità.

Lo studio è pubblicato su Fisica della natura .