Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

El calor y la electricidad suelen considerarse compañeros que se mueven juntos en la misma dirección. Cuando se calienta un extremo de una barra de metal, la electricidad fluye desde el lado caliente hacia el lado frío. Pero existe un truco especial en la física donde el calor y la electricidad pueden verse forzados a moverse en ángulos rectos entre sí, como un río que fluye lateralmente cuando el viento sopla a través de él. Este fenómeno, conocido como el efecto Nernst, es una herramienta poderosa para convertir el calor residual en electricidad útil sin necesidad de maquinaria voluminosa. Los científicos han comprendido durante mucho tiempo dos formas principales en las que esto sucede: una depende de un imán externo que empuja a los electrones, y la otra depende del orden magnético interno del propio material. Durante décadas, la creencia predominante fue que la versión interna de este efecto desaparecería en el momento en que un material perdiera su magnetismo permanente, lo cual ocurre en una temperatura específica llamada temperatura de Curie. Si el orden magnético desaparecía, se esperaba que el efecto desapareciera con él.

Un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Japón y la Universidad de Tokio ha desafiado esta creencia largamente sostenida. Al estudiar una familia específica de materiales compuestos por manganeso, cromo y antimonio, descubrieron que el efecto Nernst no simplemente se apaga cuando el material deja de ser un imán permanente. En cambio, el efecto se vuelve más fuerte precisamente alrededor de la temperatura en la que el orden magnético se rompe. Los investigadores descubrieron que, mientras las señales magnéticas habituales se desvanecen por completo en este punto crítico, una señal diferente impulsada por el movimiento caótico y fluctuante de los espines atómicos permanece fuerte. Este descubrimiento sugiere que el movimiento inquieto y agitado de los espines en un estado desordenado puede impulsar la generación de electricidad de manera tan efectiva como un campo magnético sólido y ordenado.

Para encontrar este comportamiento oculto, el equipo creó una serie de muestras policristalinas con la fórmula Mn1-aCraSb, donde la cantidad de cromo se ajustó cuidadosamente para cambiar la temperatura a la que el material pierde su magnetismo. Sintetizaron estos materiales fundiendo elementos de alta pureza, moliéndolos en polvo y presionándolos en barras sólidas mediante una técnica llamada sinterización por plasma de chispa. Las barras resultantes eran de estructura hexagonal y estaban libres de impurezas no deseadas, con temperaturas de Curie que oscilaban entre aproximadamente 295 Kelvin y 480 Kelvin dependiendo del contenido de cromo. Los investigadores se propusieron medir el efecto Nernst, pero se enfrentaron a un desafío: medir este efecto directamente en un bloque sólido es difícil porque el calor puede filtrarse a través del material de formas confusas. Para resolver esto, utilizaron un método indirecto ingenioso llamado termografía de bloqueo. En lugar de medir la electricidad directamente, hicieron pasar una corriente eléctrica a través de la muestra mientras aplicaban un campo magnético, lo que causó que la muestra se calentara siguiendo un patrón específico debido a un efecto relacionado llamado efecto Ettingshausen. Al utilizar una cámara infrarroja para observar las ondas de temperatura en la superficie de la muestra, pudieron calcular exactamente qué tan fuerte era el efecto Nernst sin la interferencia de otro ruido térmico.

Los resultados fueron sorprendentes y claros. A medida que calentaban las muestras, los investigadores observaron cómo cambiaba la señal Nernst. En un material magnético típico, la señal caería a cero exactamente cuando el material dejara de ser magnético. Sin embargo, en estas muestras de manganeso-cromo-antimonio, la señal Nernst no se desvaneció. Permaneció finita incluso cuando el material cruzó de un estado magnético a uno no magnético. De hecho, la señal mostró un pico distintivo justo alrededor de la temperatura de Curie. Al mismo tiempo, los investigadores midieron la resistividad Hall anómala, una propiedad que usualmente sigue perfectamente al efecto Nernst en materiales magnéticos. Esta propiedad, sin embargo, sí cayó a cero exactamente en la temperatura de Curie, tal como se esperaba. Este desajuste creó un rompecabezas: el efecto Nernst seguía vivo y activo, pero el motor magnético habitual para este se había ido.

El equipo descartó varias explicaciones comunes para esta anomalía. Consideraron si pequeñas partículas magnéticas llamadas magnones, que transportan calor pero no electricidad, estaban arrastrando el efecto, pero los cálculos mostraron que los magnones pierden su influencia a estas temperaturas elevadas. También buscaron texturas magnéticas exóticas o estructuras electrónicas inusuales que pudieran ser responsables, pero los datos no respaldaban estas ideas. En su lugar, los investigadores propusieron que el culpable era la fluctuación longitudinal de los espines. En un material magnético, los espines de los electrones suelen apuntar en una dirección fija. A medida que el material se calienta hacia la temperatura de Curie, estos espines comienzan a tambalearse y a fluctuar. Mientras que la mayoría de las teorías se centran en espines que se tambalean lateralmente, los investigadores encontraron que las fluctuaciones que ocurren a lo largo de la dirección del propio espín estaban impulsando el efecto Nernst. Construyeron un modelo teórico basado en esta idea de las fluctuaciones longitudinales de los espines y encontraron que este reproducía perfectamente el comportamiento de pico que observaron en los experimentos.

Este hallazgo cambia la forma en que los científicos piensan sobre la conversión de calor en electricidad. Revela que no se necesita un estado magnético perfectamente ordenado para generar un fuerte efecto termoeléctrico transversal. El estado caótico y fluctuante de los espines cerca de la temperatura de Curie no es un callejón sin salida, sino un potente motor para la conversión de energía. Debido a que este efecto funciona a temperaturas muy por encima de la temperatura ambiente, abre nuevas posibilidades para diseñar dispositivos termoeléctricos que puedan recolectar calor de procesos industriales o motores de manera más eficiente. El trabajo demuestra que el movimiento inquieto de átomos y electrones, a menudo visto como una fuente de desorden, puede ser aprovechado para crear corrientes eléctricas útiles, ofreciendo un nuevo camino para mejorar las tecnologías de energía.