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Large longitudinal and anomalous transverse Magneto-thermoelectric effect in kagome antiferromagnet FeGe

Este estudio reporta una conductividad termoeléctrica transversal récord y un pronunciado efecto Nernst anómalo en el antiferromagneto de Kagome FeGe, atribuyendo estos efectos gigantes a la gran curvatura de Berry generada por su textura de espín no colineal y destacando su potencial para aplicaciones magneto-termoeléctricas avanzadas.

Autores originales: Jiajun Ma, Rong Chen, Yazhou Li, Chenfei Shi, Yantao Cao, YuWei Zhang, Jiaxing Liao, Yunfei Han, Guangxi Wen, Jialu Wang, Hanjie Guo, Jianhui Dai, Chenguang Fu, Jin-Ke Bao, Yan Sun, Zhu-An Xu, Yuke Li

Publicado 2026-08-28

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CC BY 4.0

Autores originales: Jiajun Ma, Rong Chen, Yazhou Li, Chenfei Shi, Yantao Cao, YuWei Zhang, Jiaxing Liao, Yunfei Han, Guangxi Wen, Jialu Wang, Hanjie Guo, Jianhui Dai, Chenguang Fu, Jin-Ke Bao, Yan Sun, Zhu-An Xu, Yuke Li

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Durante décadas, los ingenieros han buscado mejores formas de convertir el calor residual en electricidad, un proceso que depende de materiales capaces de generar un voltaje cuando un lado está caliente y el otro frío. Este fenómeno, conocido como el efecto termoeléctrico, ha sido estudiado tradicionalmente observando cómo la electricidad fluye directamente a través de un material de caliente a frío. Sin embargo, un enfoque más nuevo y prometedor consiste en observar qué sucede cuando el calor y la electricidad se mueven lateralmente, perpendicular al flujo de calor, especialmente cuando se aplica un campo magnético. Este movimiento lateral, llamado efecto termoeléctrico transversal, ofrece una forma más sencilla de construir dispositivos porque no requiere de cableado complejo o múltiples materiales para funcionar. Recientemente, los científicos han centrado su atención en una clase especial de materiales llamados imanes topológicos. Estas son sustancias donde la disposición de los electrones crea vías únicas y protegidas que pueden potenciar estos efectos, y entre ellos, una disposición geométrica específica de átomos conocida como red de kagome ha mostrado un potencial particular para generar grandes respuestas eléctricas.

En un estudio reciente, los investigadores investigaron un material específico llamado FeGe, que es un antiferromagnético, lo que significa que sus espines magnéticos internos apuntan en direcciones opuestas y se cancelan entre sí, dejando al material sin una atracción magnética global. Lo que hace que el FeGe sea único es que sus átomos forman un patrón de kagome, que se asemeja a una cesta tejida, y alberga una compleja interacción entre su orden magnético y una distorsión ondulatoria en la densidad de sus electrones. El equipo se centró en un rango de temperatura específico donde los espines magnéticos del material se inclinan ligeramente, creando una estructura inclinada (canted). Al enfriar el material y aplicar un campo magnético fuerte, midieron cómo se movían el calor y la electricidad a través de él. Descubrieron que cuando el material entraba en este estado magnético inclinado, su capacidad para generar un voltaje a partir de una diferencia de temperatura cambiaba drásticamente. De hecho, el campo magnético hizo que el voltaje cambiara su dirección y aumentara en un factor de más de cien veces en comparación con su estado de campo cero, un cambio que es excepcionalmente grande para este tipo de material.

Los investigadores también midieron un voltaje lateral generado por la diferencia de temperatura, conocido como el efecto Nernst, y encontraron que era sorprendentemente fuerte. Este efecto es impulsado por el giro de las trayectorias de los electrones en el espacio de momento, una propiedad llamada curvatura de Berry, que actúa como una fuerza oculta que empuja a los electrones lateralmente. En el FeGe, este efecto fue tan pronunciado que el material alcanzó un nivel récord de conductividad termoeléctrica transversal para un antiferromagnético, alcanzando un valor de 15 amperios por kelvin por metro a bajas temperaturas. Este rendimiento rivaliza con el de los mejores materiales ferromagnéticos conocidos, que típicamente tienen un campo magnético neto, aunque el FeGe logra esto sin ningún campo magnético residual. El estudio descartó explícitamente otras explicaciones comunes para señales tan grandes, como el arrastre de electrones por ondas magnéticas o cambios simples en la cantidad de portadores de carga, señalando en su lugar la disposición única de espines no colineales en el material como la causa principal.

Para entender por qué sucede esto, el equipo utilizó simulaciones por computadora para modelar la estructura electrónica del material en su estado magnético inclinado. Estos cálculos confirmaron que la forma específica en que se disponen los espines crea una gran cantidad de la curvatura oculta necesaria para impulsar la fuerte corriente eléctrica lateral. Los resultados sugieren que, al ajustar la estructura magnética de tales materiales, los científicos pueden mejorar significamente su capacidad para recolectar energía del calor. Aunque el estudio aún no describe un dispositivo terminado, demuestra que los materiales antiferromagnéticos con texturas de espín complejas son candidatos poderosos para futuras aplicaciones termoeléctricas, ofreciendo un nuevo camino para capturar la energía que actualmente se pierde como calor. El trabajo destaca cómo la intrincada danza de electrones y espines en una red cristalina puede aprovecharse para crear convertidores de energía de estado sólido eficientes.

Resumen Técnico: Efecto Magnetotermoeléctrico Transversal Anómalo y Longitudinal Grande en el Antiferromagneto de Kagome FeGe

Problema y Contexto
La investigación termoeléctrica (TE) tradicional se ha centrado predominantemente en la optimización del efecto Seebeck longitudinal mediante el ajuste de bandas y la ingeniería de fonones. Sin embargo, la investigación de estructuras electrónicas novedosas, particularmente aquellas que presentan conos de Dirac, bandas planas y singularidades de van Hove, ofrece nuevas vías para mejorar el rendimiento termoeléctrico. Si bien los efectos magnetotermoeléctricos transversales, como el efecto Nernst anómalo (ANE), presentan ventajas como un diseño de unión simplificado y escalabilidad, los materiales termoeléctricos de alto rendimiento siguen siendo escasos. Específicamente, la interacción entre texturas de espín espacialmente variables, órdenes de carga y topología en sistemas electrónicos fuertemente correlacionados no se comprende bien. El antiferromagneto de Kagome FeGe, que exhibe un diagrama de fases complejo que involucra una onda de densidad de carga (CDW) y un ordenamiento antiferromagnético cantado (CAFM), sirve como una plataforma candidata para explorar estas interacciones.

Metodología
El estudio utilizó monocristales de alta calidad de FeGe cultivados mediante el método de transporte de vapor químico (CVT) y posteriormente recocidos para asegurar un ordenamiento de CDW de largo alcance. Se realizaron mediciones de transporte exhaustivas utilizando un método de seis terminales para resistividad y efectos Hall, y una técnica de un calentador–dos termómetros para termoeléctrica, conductividad térmica y el efecto Nernst. Las mediciones se realizaron en un refrigerador criogénico de 14 T con campos magnéticos aplicados paralelos al plano ab ( $H \parallel ab$ ) mientras la corriente y el flujo de calor se dirigían a lo largo del eje c ( $I, Q \parallel c$ ). Las señales longitudinales y transversales fueron simetrizadas y antisimetrizadas, respectivamente, para eliminar los errores de desalineación de contacto.

Complementando los experimentos, se realizaron cálculos de primeros principios utilizando el paquete de simulación Vienna ab initio (VASP). Estos cálculos modelaron la estructura de bandas electrónicas bajo diversas configuraciones magnéticas, incluyendo el antiferromagnetismo de tipo A y estructuras de espín cantadas, incorporando el acoplamiento espín-órbita (SOC). La conductividad Nernst anómala (ANC) se derivó utilizando la fórmula de Kubo de respuesta lineal basada en funciones de Wannier proyectadas desde las funciones de onda de Bloch.

Resultados Clave

Transiciones de Fase y Anomalías de Transporte: Las muestras de FeGe exhibieron dos transiciones de fase distintas: una transición de CDW en $T_{CDW} \approx 108$ K y una transición de AFM cantado (CAFM) en $T_{cant} \approx 56$ K. En $T_{cant}$ , la termoeléctrica longitudinal ( $S_{zz}$ ) y la señal de Nernst ( $S_{zx}$ ) sufrieron un cambio de signo de positivo a negativo, indicando un cambio en los portadores de carga mayoritarios de huecos a electrones y una modificación del potencial químico.
Magneto-termopoder Gigante: Un campo magnético de 14 T indujo un cambio masivo en la termoeléctrica. Alrededor de $T_{cant}$ , el cambio relativo en la termoeléctrica ( $\Delta S_{zz}/S_{zz}$ ) alcanzó el $10^2$ – $10^4\%$ . Esta magnitud es significativamente mayor que la reportada para materiales termoeléctricos convencionales (p. ej., Ag $_{2-\delta}$ Te) y otros semimetales topológicos.
Efecto Nernst Anómalo (ANE): Por debajo de $T_{cant}$ , se observó un ANE pronunciado. La señal Nernst anómala ( $S^A_{zx}$ ) alcanzó un máximo de aproximadamente $1.2~\mu$ V/K a 20 K, superando los valores encontrados en otros antiferromagnetos de Kagome cantados como Mn $_3$ Sn/Ge.
Conductividad Transversal Récord: El estudio calculó la conductividad termoeléctrica transversal anómala ( $\alpha^A_{zx}$ ) utilizando la relación $\alpha_{zx} = \sigma_{zz}S_{zx} + \sigma_{zx}S_{zz}$ . La $\alpha^A_{zx}$ extraída alcanzó un máximo de 15 A K $^{-1}$ m $^{-1}$ a 20 K. Este valor representa el récord más alto entre los materiales antiferromagnéticos conocidos y es comparable al del metal ferromagnético UCo $_{0.8}$ Ru $_{0.2}$ Al.
Mecanismo: La gran $\alpha^A_{zx}$ es impulsada principalmente por el término $\sigma_{zz}S^A_{zx}$ , lo que sugiere que una alta conductividad eléctrica combinada con una señal Nernst anómala significativa es el factor dominante. Los autores atribuyen la gran curvatura de Berry responsable de estos efectos a la textura de espín no colineal en el estado CAFM y a la naturaleza topológica de la red de Kagome, en lugar del arrastre de magnones o el arrastre de fonones, los cuales fueron descartados mediante el análisis de dependencia de temperatura y campo.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el FeGe demuestra que las estructuras de espín no triviales, cuando se acoplan con el orden de carga y las bandas topológicas, pueden generar contribuciones excepcionalmente grandes de la curvatura de Berry al transporte termoeléctrico. La observación de una conductividad termoeléctrica transversal récord en un antiferromagneto resalta el potencial de los antiferromagnetos de Kagome para aplicaciones magnetotermoeléctricas. A diferencia de los ferromagnetos convencionales donde el ANE escala linealmente con la magnetización, el gran ANE en FeGe surge de texturas de espín topológicas, ofreciendo una vía para mejorar el rendimiento termoeléctrico sin las complicaciones de los campos magnéticos residuales. El trabajo sugiere que el ajuste del nivel de Fermi en tales antiferromagnetos topológicos podría optimizar aún más la eficiencia termoeléctrica.

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