Lo studio è pubblicato sulla rivista Advanced Science .

Negli ultimi anni sono state ampiamente studiate le tecnologie termoelettriche basate sull’effetto Seebeck in grado di convertire il calore di scarto e altre fonti di calore in elettricità. L'effetto Seebeck genera normalmente una corrente elettrica che scorre parallela al flusso di calore associato (cioè un effetto termoelettrico longitudinale). Questa limitazione fisica richiede che i dispositivi basati sull'effetto Seebeck abbiano strutture complesse, con conseguente riduzione della durata di servizio e aumento dei costi di produzione.

D’altra parte, sfruttando effetti termoelettrici trasversali come l’effetto Nernst anomalo, i dispositivi termoelettrici possono avere strutture molto più semplici rispetto ai dispositivi basati sull’effetto Seebeck, rendendoli potenzialmente utili nella raccolta di energia e nel rilevamento del flusso di calore. Tuttavia, le prestazioni di conversione termoelettrica a temperatura ambiente risultanti dall'effetto Nernst anomalo sono attualmente molto basse:meno di 10 μV di elettricità possono essere generati da una differenza di temperatura di 1 K a temperatura ambiente, presentando un grave svantaggio.

Il gruppo di ricerca ha fabbricato un composito termoelettrico con una struttura molto semplice:una coppia di strati di materiale termoelettrico e magnetico impilati uno sopra l’altro in modo che l’elettricità potesse fluire attraverso di essi. Questo dispositivo è stato in grado di mostrare un effetto termoelettrico trasversale significativamente maggiore di quello prodotto esclusivamente dai materiali magnetici esistenti in grado di mostrare l'effetto Nernst anomalo nella prima dimostrazione sperimentale di questo genere.

Per ottenere il grande effetto termoelettrico trasversale, il team ha prima costruito un modello teorico e stimato il rapporto di spessore ottimale tra il substrato accoppiato di silicio termoelettrico (Si) in grado di mostrare un grande effetto Seebeck e la sottile lega magnetica ferro-gallio (Fe-Ga). film. Il team ha quindi impilato il film sottile di Fe-Ga sopra un substrato di Si con il rapporto di spessore ottimale. Questo composito ha prodotto una tensione di uscita massima di 15,2 μV/K, circa sei volte maggiore di quella generata dalla sola lega Fe-Ga (2,4 μV/K) in base all'effetto Nernst anomalo.

Il team ha dimostrato che una semplice struttura a strati composta da una coppia di strati di materiale termoelettrico e magnetico in contatto diretto era in grado di produrre un effetto termoelettrico trasversale significativamente più grande rispetto ai materiali magnetici in grado di mostrare l’effetto Nernst anomalo se usati da soli. Si prevede che questo composito sarà applicabile in un'ampia gamma di dispositivi termoelettrici pratici.

Andando avanti, la ricerca verrà ampliata per includere materiali sfusi di grandi dimensioni necessari per applicazioni pratiche, volte a contribuire al risparmio energetico della società attraverso applicazioni di dispositivi per la generazione di energia termoelettrica.

Questo progetto è stato realizzato da Weinan Zhou (ICYS Research Fellow, International Center for Young Scientists, NIMS), Yuya Sakuraba (Group Leader, Magnetic Functional Device Group, Research Center for Magnetic and Spintronic Materials (CMSM), NIMS), Ken-ichi Uchida (leader illustre del gruppo, Spin Caloritronics Group, CMSM, NIMS) e Taisuke Sasaki (leader del gruppo, gruppo di analisi delle nanostrutture, CMSM, NIMS).