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

Questo studio riporta una conducibilità termoelettrica trasversa record e un pronunciato effetto Nernst anomalo nel ferromagnete di Kagome FeGe, attribuendo questi effetti giganti alla grande curvatura di Berry generata dalla sua tessitura di spin non collineare e sottolineando il suo potenziale per applicazioni magneto-termoelettriche avanzate.

Autori originali: 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

Pubblicato 2026-08-28

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CC BY 4.0

Autori originali: 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

Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Questa è una spiegazione generata dall'IA dell'articolo qui sotto. Non è stata scritta né approvata dagli autori. Per precisione tecnica, consulta l'articolo originale. Leggi il disclaimer completo

Per decenni, gli ingegneri hanno cercato modi migliori per trasformare il calore di scarto in elettricità, un processo che si basa su materiali capaci di generare una tensione quando un lato è caldo e l'altro è freddo. Questo fenomeno, noto come effetto termoelettrico, è stato tradizionalmente studiato osservando come l'elettricità fluisca direttamente attraverso un materiale dal caldo al freddo. Tuttavia, un approccio più recente e promettente consiste nel guardare a cosa accade quando il calore e l'elettricità si muovono lateralmente, perpendicolarmente al flusso di calore, specialmente quando viene applicato un campo magnetico. Questo movimento laterale, chiamato effetto termoelettrico trasversale, offre un modo più semplice per costruire dispositivi perché non richiede cablaggi complessi o molteplici materiali per funzionare. Recentemente, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione a una classe speciale di materiali chiamati magneti topologici. Queste sono sostanze in cui la disposizione degli elettroni crea percorsi unici e protetti che possono potenziare questi effetti, e tra essi, una specifica disposizione geometrica di atomi nota come reticolo di kagome ha mostrato particolare promessa per generare grandi risposte elettriche.

In uno studio recente, i ricercatori hanno investigato un materiale specifico chiamato FeGe, che è un antiferromagnete, il che significa che i suoi spin magnetici interni puntano in direzioni opposte e si annullano a vicenda, lasciando il materiale senza una forza magnetica complessiva. Ciò che rende il FeGe unico è che i suoi atomi formano un modello kagome, che ricorda un cesto intrecciato, e ospita un'interazione complessa tra il suo ordine magnetico e una distorsione ondulatoria nella densità dei suoi elettroni. Il team si è concentrato su un intervallo di temperatura specifico in cui gli spin magnetici del materiale si inclinano leggermente, creando una struttura cantata. Raffreddando il materiale e applicando un forte campo magnetico, hanno misurato come il calore e l'elettricità si muovevano attraverso di esso. Hanno scoperto che, quando il materiale entrava in questo stato magnetico inclinato, la sua capacità di generare una tensione da una differenza di temperatura cambiava drasticamente. Infatti, il campo magnetico ha fatto invertire la direzione della tensione e l'ha aumentata di un fattore superiore a cento rispetto al suo stato a campo nullo, un cambiamento che è eccezionalmente grande per questo tipo di materiale.

I ricercatori hanno anche misurato una tensione laterale generata dalla differenza di temperatura, nota come effetto Nernst, e hanno scoperto che era sorprendentemente forte. Questo effetto è guidato dall'avvitamento dei percorsi degli elettroni nello spazio dei momenti, una proprietà chiamata curvatura di Berry, che agisce come una forza nascosta che spinge gli elettroni lateralmente. Nel FeGe, questo effetto era così pronunciato che il materiale ha raggiunto un livello record di conduttività termoelettrica trasversale per un antiferromagnete, raggiungendo un valore di 15 ampere per kelvin per metro a basse temperature. Questa prestazione rivaleggia con i migliori materiali ferromagnetici conosciuti, che tipicamente hanno un campo magnetico netto, eppure il FeGe lo ottiene senza alcun campo magnetico residuo. Lo studio ha esplicitamente escluso altre spiegazioni comuni per segnali così grandi, come il trascinamento degli elettroni da parte di onde magnetiche o semplici cambiamenti nel numero di portatori di carica, indicando invece la disposizione non collineare unica degli spin nel materiale come la causa primaria.

Per capire perché ciò accada, il team ha utilizzato simulazioni al computer per modellare la struttura elettronica del materiale nel suo stato magnetico inclinato. Questi calcoli hanno confermato che il modo specifico in cui gli spin sono disposti crea una grande quantità della curvatura nascosta necessaria per guidare la forte corrente elettrica laterale. I risultati suggeriscono che, modulando la struttura magnetica di tali materiali, gli scienziati possono potenziare significativamente la loro capacità di raccogliere energia dal calore. Sebbene lo studio non descriva ancora un dispositivo finito, dimostra che i materiali antiferromagnetici con texture di spin complesse sono candidati potenti per future applicazioni termoelettriche, offrendo un nuovo percorso per catturare l'energia che attualmente viene persa sotto forma di calore. Il lavoro evidenzia come la danza intricata di elettroni e spin in un reticolo cristallino possa essere sfruttata per creare convertitori di energia allo stato solido efficienti.

Sintesi Tecnica: Grande Effetto Magneto-Termoelettrico Longitudinale e Anomalo Trasversale nel Kagome Antiferromagnetico FeGe

Problema e Contesto
La ricerca termoelettrica (TE) tradizionale si è concentrata prevalentemente sull'ottimizzazione dell'effetto Seebeck longitudinale attraverso la sintonizzazione delle bande e l'ingegneria dei fononi. Tuttavia, l'indagine di strutture elettroniche innovative, in particolare quelle caratterizzate da coni di Dirac, bande piatte e singolarità di van Hove, offre nuove strade per potenziare le prestazioni TE. Sebbene gli effetti magneto-termoelettrici trasversali, come l'effetto Nernst anomalo (ANE), presentino vantaggi quali una progettazione delle giunzioni semplificata e scalabilità, i materiali magneto-TE ad alte prestazioni rimangono scarsi. Specificamente, l'interazione tra texture di spin spazialmente variabili, ordini di carica e topologia nei sistemi elettronici fortemente correlati non è ancora ben compresa. Il materiale Kagome antiferromagnetico FeGe, che presenta un diagramma di fase complesso che coinvolge un'onda di densità di carica (CDW) e un ordine antiferromagnetico cantato (CAFM), funge da piattaforma candidata per esplorare tali interazioni.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato monocristalli di alta qualità di FeGe cresciuti tramite il metodo del trasporto chimico in fase vapore (CVT) e successivamente ricotti per garantire un ordine CDW a lungo raggio. Sono state condotte misurazioni di trasporto complete utilizzando un metodo a sei terminali per resistività ed effetti Hall, e una tecnica a un riscaldatore e due termometri per termopotenza, conducibilità termica ed effetto Nernst. Le misurazioni sono state eseguite in un refrigeratore criogenico da 14 T con campi magnetici applicati parallelamente al piano ab ( $H \parallel ab$ ) mentre la corrente e il flusso di calore erano lungo l'asse c ( $I, Q \parallel c$ ). I segnali longitudinali e trasversali sono stati simmetrizzati e antisimmetrizzati, rispettivamente, per eliminare gli errori di disallineamento dei contatti.

A completamento degli esperimenti, sono stati eseguiti calcoli basati sul primo principio utilizzando il pacchetto di simulazione VASP (Vienna ab initio simulation package). Tali calcoli hanno modellato la struttura a bande elettroniche sotto varie configurazioni magnetiche, incluse l'antiferromagnetismo di tipo A e strutture di spin cantate, incorporando l'accoppiamento spin-orbita (SOC). La conducibilità Nernst anomala (ANC) è stata derivata utilizzando la formula di risposta lineare di Kubo basata su funzioni di Wannier proiettate dalle funzioni d'onda di Bloch.

Risultati Chiave

Transizioni di Fase e Anomalie di Trasporto: I campioni di FeGe hanno esibito due transizioni di fase distinte: una transizione CDW a $T_{CDW} \approx 108$ K e una transizione CAFM a $T_{cant} \approx 56$ K. Alla temperatura $T_{cant}$ , la termopotenza longitudinale ( $S_{zz}$ ) e il segnale Nernst ( $S_{zx}$ ) hanno subito un cambio di segno da positivo a negativo, indicando uno spostamento dei portatori di carica maggioritari da lacune ad elettroni e una modifica del potenziale chimico.
Magneto-Termopotenza Gigante: Un campo magnetico di 1 4 T ha indotto un cambiamento massiccio nella termopotenza. Intorno a $T_{cant}$ , la variazione relativa della termopotenza ( $\Delta S_{zz}/S_{zz}$ ) ha raggiunto l'ordine di $10^2$ – $10^4\%$ . Tale magnitudo è significativamente superiore a quella riportata per i materiali termoelettrici convenzionali (es. Ag $_{2-\delta}$ Te) e altri semimetalli topologici.
Effetto Nernst Anomalo (ANE): Al di sotto di $T_{cant}$ , è stato osservato un pronunciato ANE. Il segnale Nernst anomalo ( $S^A_{zx}$ ) ha raggiunto un picco di circa $1,2~\mu$ V/K a 20 K, superando i valori riscontrati in altri Kagome cantati antiferromagnetici come Mn $_3$ Sn/Ge.
Record di Conducibilità Trasversale: Lo studio ha calcolato la conducibilità termoionica trasversale anomala ( $\alpha^A_{zx}$ ) utilizzando la relazione $\alpha_{zx} = \sigma_{zz}S_{zx} + \sigma_{zx}S_{zz}$ . La $\alpha^A_{zx}$ estratta ha raggiunto un massimo di 15 A K $^{-1}$ m $^{-1}$ a 20 K. Questo valore rappresenta il record più alto tra i materiali antiferromagnetici noti ed è paragonabile a quello del metallo ferromagnetico UCo $_{0.8}$ Ru $_{0.2}$ Al.
Meccanismo: La grande $\alpha^A_{zx}$ è guidata principalmente dal termine $\sigma_{zz}S^A_{zx}$ , suggerendo che l'alta conducibilità elettrica combinata con un segnale Nernst anomalo significativo sia il fattore dominante. Gli autori attribuiscono la grande curvatura di Berry responsabile di questi effetti alla texture di spin non collineare nello stato CAFM e alla natura topologica del reticolo Kagome, piuttosto che al drag dei magnoni o al drag dei fononi, che sono stati esclusi dall'analisi della dipendenza dalla temperatura e dal campo.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che il FeGe dimostra come strutture di spin non triviali, quando accoppiate con l'ordine di carica e le bande topologiche, possano generare contributi eccezionalmente grandi della curvatura di Berry al trasporto termoelettrico. L'osservazione di una conducibilità termoionica trasversale record in un antiferromagnete evidenzia il potenziale dei Kagome antiferromagnetici per applicazioni magneto-termoelettriche. A differenza dei ferromagneti convenzionali dove l'ANE scala linearmente con la magnetizzazione, il grande ANE in FeGe deriva da texture di spin topologiche, offrendo una via per potenziare le prestazioni termoelettriche senza le complicazioni dei campi magnetici dispersi. Il lavoro suggerisce che la sintonizzazione del livello di Fermi in tali antiferromagneti topologici potrebbe ulteriormente ottimizzare l'efficienza termoelettrica.

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