Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

Il calore e l'elettricità sono solitamente considerati partner che si muovono insieme nella stessa direzione. Quando si riscalda un'estremità di una barra metallica, l'elettricità scorre dal lato caldo verso quello freddo. Ma esiste un trucco speciale nella fisica dove calore ed elettricità possono essere costretti a muoversi ad angoli retti l'uno rispetto all'altro, come un fiume che scorre lateralmente quando il vento soffia attraverso di esso. Questo fenomeno, noto come effetto Nernst, è uno strumento potente per trasformare il calore di scarto in elettricità utile senza la necessità di macchinari ingombranti. Gli scienziati hanno compreso da tempo due modi principali in cui ciò accade: uno si basa su un magnete esterno che spinge sugli elettroni, e l'altro si basa sull'ordine magnetico interno del materiale stesso. Per decenni, la convinzione prevalente era che questa versione interna dell'effetto sarebbe svanita nel momento in cui un materiale perde il suo magnetismo permanente, il che accade a una temperatura specifica chiamata temperatura di Curie. Se l'ordine magnetico fosse scomparso, ci si aspettava che anche l'effetto sarebbe scomparso con esso.

Un team di ricercatori presso l'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali in Giappone e l'Università di Tokyo ha sfidato questa convinzione radicata da tempo. Studiando una specifica famiglia di materiali composti da manganese, cromo e antimonio, hanno scoperto che l'effetto Nernst non si spegne semplicemente quando il materiale smette di essere un magnete permanente. Al contrario, l'effetto diventa in realtà più forte proprio intorno alla temperatura in cui l'ordine magnetico si rompe. I ricercatori hanno scoperto che, mentre i segnali magnetici usuali svaniscono completamente in questo punto critico, un segnale diverso, guidato dal movimento caotico e fluttuante degli spin atomici, rimane forte. Questa scoperta suggerisce che il movimento irrequieto e oscillante degli spin in uno stato disordinato può guidare la generazione di elettricità in modo altrettanto efficace quanto un campo magnetico solido e ordinato.

Per trovare questo comportamento nascosto, il team ha creato una serie di campioni policristallini con la formula $\text{Mn}_{1-a}\text{Cr}_a\text{Sb}$, dove la quantità di cromo è stata attentamente regolata per cambiare la temperatura alla quale il materiale perde il suo magnetismo. Hanno sintetizzato questi materiali fondendo insieme elementi di alta purezza, macinandoli in polvere e pressandoli in barre solide utilizzando una tecnica chiamata sinterizzazione spark plasma. Le barre risultanti avevano una struttura esagonale ed erano prive di impurità indesiderate, con temperature di Curie che variavano da circa 295 Kelvin a 480 Kelvin a seconda del contenuto di cromo. I ricercatori si sono poi cimentati nella misurazione dell'effetto Nernst, ma hanno affrontato una sfida: misurare direttamente questo effetto in un blocco solido è difficile perché il calore può fuoriuscire dal materiale in modi confondenti. Per risolvere il problema, hanno utilizzato un metodo indiretto molto astuto chiamato termografia lock-in. Invece di misurare l'elettricità direttamente, hanno fatto passare una corrente elettrica attraverso il campione applicando un campo magnetico, il che ha causato il riscaldamento del campione secondo un modello specifico dovuto a un effetto correlato chiamato effetto Ettingshausen. Utilizzando una telecamera a infrarossi per osservare le onde di temperatura sulla superficie del campione, sono stati in grado di calcolare esattamente quanto fosse forte l'effetto Nernst senza l'interferenza di altri rumori termici.

I risultati sono stati sorprendenti e chiari. Mentre riscaldavano i campioni, i ricercatori hanno osservato come cambiava il segnale Nernst. In un tipico materiale magnetico, il segnale scenderebbe a zero esattamente quando il materiale smette di essere magnetico. Tuttavia, in questi campioni di manganese-cromo-antimonio, il segnale Nernst non è svanito. È rimasto finito anche quando il materiale ha attraversato la transizione da uno stato magnetico a uno non magnetico. Infatti, il segnale mostrava un picco distinto proprio intorno alla temperatura di Curie. Allo stesso tempo, i ricercatori hanno misurato la resistività Hall anomala, una proprietà che di solito segue perfettamente l'effetto Nernst nei materiali magnetici. Questa proprietà, tuttavia, è scesa a zero esattamente alla temperatura di Curie, proprio come previsto. Questa discrepanza ha creato un enigma: l'effetto Nernst era ancora vivo e attivo, ma il consueto motore magnetico per esso era scomparso.

Il team ha escluso diverse spiegazioni comuni per questa anomalia. Hanno considerato se minuscole particelle magnetiche chiamate magnoni, che trasportano calore ma non elettricità, stessero trascinando l'effetto, ma i calcoli hanno dimostrato che i magnoni perdono la loro influenza a queste alte temperature. Hanno anche cercato texture magnetiche esotiche o strutture elettroniche insolite che potessero esserne responsabili, ma i dati non supportavano queste idee. Invece, i ricercatori hanno proposto che il colpevole fosse la fluttuazione longitudinale degli spin. In un materiale magnetico, gli spin degli elettroni puntano solitamente in una direzione fissa. Mentre il materiale si riscalda verso la temperatura di Curie, questi spin iniziano a oscillare e fluttuare. Mentre la maggior parte delle teorie si concentra sugli spin che oscillano lateralmente, i ricercatori hanno scoperto che le fluttuazioni che avvengono lungo la direzione dello spin stesso stavano guidando l'effetto Nernst. Hanno costruito un modello teorico basato su questa idea di fluttuazioni di spin longitudinali e hanno scoperto che questo riproduceva perfettamente il comportamento di picco osservato negli esperimenti.

Questa scoperta cambia il modo in cui gli scienziati pensano alla conversione del calore in elettricità. Rivela che non è necessario uno stato magnetico perfettamente ordinato per generare un forte effetto termoelettrico trasversale. Lo stato caotico e fluttuante degli spin vicino alla temperatura di Curie non è un vicolo cieco, ma un potente motore per la conversione dell'energia. Poiché questo effetto funziona a temperature ben superiori a quelle ambiente, apre nuove possibilità per la progettazione di dispositivi termoelettrici in grado di raccogliere il calore dai processi industriali o dai motori in modo più efficiente. Il lavoro dimostra che il movimento irrequieto di atomi ed elettroni, spesso visto come una fonte di disordine, può essere sfruttato per creare correnti elettriche utili, offrendo una nuova strada per migliorare le tecnologie energetiche.