Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

La chaleur et l'électricité sont généralement considérées comme des partenaires qui se déplacent ensemble dans la même direction. Lorsque vous chauffez une extrémité d'une barre métallique, l'électricité s'écoule du côté chaud vers le côté froid. Mais il existe un tour de passe-passe spécial en physique où la chaleur et l'électricité peuvent être forcées de se déplacer à angle droit l'une de l'autre, comme une rivière qui coulerait latéralement lorsqu'un vent souffle sur elle. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Nernst, est un outil puissant pour transformer la chaleur perdue en électricité utile sans avoir recours à des machines encombrantes. Les scientifiques comprennent depuis longtemps deux manières principales dont cela se produit : l'une repose sur un aimant externe poussant sur les électrons, et l'autre repose sur l'ordre magnétique interne du matériau lui-même. Pendant des décennies, la croyance prédominante était que cette version interne de l'effet disparaîtrait dès que le matériau perdrait son magnétisme permanent, ce qui arrive à une température spécifique appelée température de Curie. Si l'ordre magnétique disparaissait, on s'attendait à ce que l'effet disparaisse avec lui.

Une équipe de chercheurs de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon et de l'Université de Tokyo a remis en question cette hypothèse de longue date. En étudiant une famille spécifique de matériaux composés de manganèse, de chrome et d'antimoine, ils ont découvert que l'effet Nernst ne s'éteint pas simplement lorsque le matériau cesse d'être un aimant permanent. Au contraire, l'effet devient en fait le plus fort juste autour de la température où l'ordre magnétique se brise. Les chercheurs ont constaté que, si les signaux magnétiques habituels s'estompent complètement à ce point critique, un autre type de signal, piloté par le mouvement chaotique et fluctuant des spins atomiques, reste fort. Cette découverte suggère que le mouvement agité et saccadé des spins dans un état désordonné peut générer de l'électricité aussi efficacement qu'un champ magnétique solide et ordonné.

Pour trouver ce comportement caché, l'équipe a créé une série d'échantillons polycristallins de formule Mn1-aCraSb, où la quantité de chrome a été soigneusement ajustée pour modifier la température à laquelle le matériau perd son magnétisme. Ils ont synthétisé ces matériaux en faisant fondre ensemble des éléments de haute pureté, en les broyant en poudre, puis en les pressant en barres solides à l'aide d'une technique appelée frittage par courant pulsé (spark plasma sintering). Les barres résultantes étaient de structure hexagonale et exemptes d'impuretés indésirables, avec des températures de Curie allant d'environ 295 Kelvin à 480 Kelvin selon la teneur en chrome. Les chercheurs ont ensuite entrepris de mesurer l'effet Nernst, mais ils ont été confrontés à un défi : mesurer cet effet directement dans un bloc solide est difficile car la chaleur peut fuir à travers le matériau de manières confuses. Pour résoudre ce problème, ils ont utilisé une méthode indirecte ingénieuse appelée thermographie par verrouillage (lock-in thermography). Au lieu de mesurer l'électricité directement, ils ont fait passer un courant électrique à travers l'échantillon tout en appliant un champ magnétique, ce qui a provoqué un échauffement de l'échantillon selon un motif spécifique dû à un effet lié appelé effet Ettingshausen. En utilisant une caméra infrarouge pour observer les ondes de température à la surface de l'échantillon, ils ont pu calculer précisément l'intensité de l'effet Nernst sans l'interférence du bruit thermique ambiant.

Les résultats étaient surprenants et clairs. En chauffant les échantillons, les chercheurs ont observé comment le signal Nernst changeait. Dans un matériau magnétique typique, le signal tomberait à zéro exactement au moment où le matériau cesse d'être magnétique. Cependant, dans ces échantillons de manganèse-chrome-antimoine, le signal Nernst ne s'est pas éteint. Il est resté fini même lorsque le matériau passait d'un état magnétique à un état non magnétique. En fait, le signal présentait un pic distinct juste autour de la température de Curie. Parallèlement, les chercheurs ont mesuré la résistivité Hall anomale, une propriété qui suit habituellement parfaitement l'effet Nernst dans les matériaux magnétiques. Cette propriété, cependant, est tombée à zéro exactement à la température de Curie, comme prévu. Ce décalage a créé un casse-tête : l'effet Nernst était toujours bien vivant, mais le moteur magnétique habituel qui le dirigeait avait disparu.

L'équipe a écarté plusieurs explications courantes pour cette anomalie. Ils ont envisagé si de minuscules particules magnétiques appelées magnons, qui transportent la chaleur mais pas l'électricité, entraînaient l'effet, mais les calculs ont montré que les magnons perdent leur influence à ces températures élevées. Ils ont également cherché des textures magnétiques exotiques ou des structures électroniques inhabituelles qui pourraient en être responsables, mais les données n'ont pas soutenu ces idées. Au lieu de cela, les chercheurs ont proposé que le coupable était la fluctuation longitudinale des spins. Dans un matériau magnétique, les spins des électrons pointent généralement dans une direction fixe. À mesure que le matériau chauffe vers la température de Curie, ces spins commencent à osciller et à fluctuer. Alors que la plupart des théories se concentrent sur les spins oscillant latéralement, les chercheurs ont découvert que les fluctuations se produisant le long de la direction même du spin étaient celles qui pilotaient l'effet Nernst. Ils ont construit un modèle théorique basé sur cette idée de fluctuations de spins longitudinales et ont constaté qu'il reproduisait parfaitement le comportement de pic observé lors des expériences.

Cette découverte change la façon dont les scientifiques envisagent la conversion de la chaleur en électricité. Elle révèle que vous n'avez pas besoin d'un état magnétique parfaitement ordonné pour générer un effet thermoélectrique transverse puissant. L'état chaotique et fluctuant des spins près de la température de Curie n'est pas une impasse, mais un moteur puissant pour la conversion d'énergie. Comme cet effet fonctionne à des températures bien supérieures à la température ambiante, il ouvre de nouvelles possibilités pour la conception de dispositifs thermoélectriques capables de récupérer la chaleur des processus industriels ou des moteurs de manière plus efficace. Ce travail démontre que le mouvement agité des atomes et des électrons, souvent perçu comme une source de désordre, peut être exploité pour créer des courants électriques utiles, offrant ainsi une nouvelle voie pour améliorer les technologies énergétiques.