Observation of the Nernst effect driven by longitudinal spin fluctuations

O calor e a eletricidade são geralmente pensados como parceiros que se movem juntos na mesma direção. Quando você aquece uma extremidade de uma barra de metal, a eletricidade flui do lado quente para o lado frio. Mas existe um truque especial na física onde o calor e a eletricidade podem ser forçados a se mover em ângulos retos um em relação ao outro, como um rio fluindo lateralmente quando o vento sopra sobre ele. Este fenômeno, conhecido como efeito Nernst, é uma ferramenta poderosa para transformar calor residual em eletricidade útil sem a necessidade de máquinas volumosas. Os cientistas há muito entendem duas formas principais pelas quais isso acontece: uma depende de um magnetismo externo empurrando os elétrons, e a outra depende da ordem magnética interna do próprio material. Por décadas, a crença predominante era que a versão interna deste efeito desapareceria no momento em que o material perdesse seu magnetismo permanente, o que acontece em uma temperatura específica chamada temperatura de Curie. Se a ordem magnética desaparecesse, esperava-se que o efeito desaparecesse com ela.

Uma equipe de pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão e da Universidade de Tóquio desafiou essa suposição mantida por muito tempo. Ao estudar uma família específica de materiais feitos de manganês, cromo e antimônio, eles descobriram que o efeito Nernst não simplesmente desliga quando o material deixa de ser um ímã permanente. Em vez disso, o efeito torna-se mais forte justamente em torno da temperatura onde a ordem magnética se quebra. Os pesquisadores descobriram que, embora os sinais magnéticos usuais desapareçam completamente neste ponto crítico, um tipo diferente de sinal impulsionado pelo movimento caótico e flutuante dos spins atômicos permanece forte. Esta descoberta sugere que o movimento inquieto e oscilante dos spins em um estado desordenado pode impulsionar a geração de eletricidade tão efetivamente quanto um campo magnético sólido e ordenado.

Para encontrar este comportamento oculto, a equipe criou uma série de amostras policristalinas com a fórmula Mn1-aCraSb, onde a quantidade de cromo foi cuidadosamente ajustada para alterar a temperatura na qual o material perde seu magnetismo. Eles sintetizaram esses materiais fundindo elementos de alta pureza, moendo-os em pó e prensando-os em barras sólidas usando uma técnica chamada sinterização por plasma de centelha. As barras resultantes eram de estrutura hexagonal e livres de impurezas indesejadas, com temperaturas de Curie variando de cerca de 295 Kelvin a 480 Kelvin, dependendo do conteúdo de cromo. Os pesquisadores então se propuseram a medir o efeito Nernst, mas enfrentaram um desafio: medir este efeito diretamente em um bloco sólido é difícil porque o calor pode vazar através do material de maneiras confusas. Para resolver isso, eles usaram um método indireto inteligente chamado termografia de lock-in. Em vez de medir a eletricidade diretamente, eles passaram uma corrente elétrica pela amostra enquanto aplicavam um campo magnético, o que causou o aquecimento da amostra em um padrão específico devido a um efeito relacionado chamado efeito Ettingshausen. Ao usar uma câmera infravermelha para observar as ondas de temperatura na superfície da amostra, eles puderam calcular exatamente quão forte era o efeito Nernst sem a interferência de outros ruídos térmicos.

Os resultados foram surpreendentes e claros. Conforme aqueciam as amostras, os pesquisadores observaram como o sinal Nernst mudava. Em um material magnético típico, o sinal cairia para zero exatamente quando o material deixasse de ser magnético. No entanto, nestas amostras de manganês-cromo-antimônio, o sinal Nernst não desapareceu. Ele permaneceu finito mesmo quando o material cruzou de um estado magnético para um estado não magnético. Na verdade, o sinal mostrou um pico distinto justamente em torno da temperatura de Curie. Ao mesmo tempo, os pesquisadores mediram a resistividade Hall anômala, uma propriedade que geralmente acompanha perfeitamente o efeito Nernst em materiais magnéticos. Esta propriedade, contudo, caiu para zero exatamente na temperatura de Curie, tal como esperado. Este descompasso criou um enigma: o efeito Nernst ainda estava vivo e pulsante, mas o motor magnético usual para ele havia partido.

A equipe descartou várias explicações comuns para esta anomalia. Consideraram se pequenas partículas magnéticas chamadas magnons, que transportam calor mas não eletricidade, estavam arrastando o efeito, mas cálculos mostraram que os magnons perdem sua influência nestas altas temperaturas. Também buscaram texturas magnéticas exóticas ou estruturas eletrônicas incomuns que pudessem ser responsáveis, mas os dados não sustentavam essas ideias. Em vez disso, os pesquisadores propuseram que o culpado era a flutuação longitudinal dos spins. Em um material magnético, os spins dos elétrons geralmente apontam em uma direção fixa. À medida que o material aquece em direção à temperatura de Curie, esses spins começam a oscilar e flutuar. Enquanto a maioria das teorias foca em spins oscilando lateralmente, os pesquisadores descobriram que as flutuações ocorrendo ao longo da própria direção do spin estavam impulsionando o efeito Nernst. Eles construíram um modelo teórico baseado nesta ideia de flutuações de spin longitudinais e descobriram que ele reproduzia perfeitamente o comportamento de pico que observaram nos experimentos.

Esta descoberta muda a forma como os cientistas pensam sobre a conversão de calor em eletricidade. Ela revela que você não precisa de um estado magnético perfeitamente ordenado para gerar um forte efeito termoelétrico transversal. O estado caótico e flutuante dos spins perto da temperatura de Curie não é um beco sem saída, mas um motor poderoso para a conversão de energia. Como este efeito funciona em temperaturas bem acima da temperatura ambiente, ele abre novas possibilidades para o design de dispositivos termoelétricos que possam colher calor de processos industriais ou motores de forma mais eficiente. O trabalho demonstra que o movimento inquieto de átomos e elétrons, muitas vezes visto como uma fonte de desordem, pode ser aproveitado para criar correntes elétricas úteis, oferecendo um novo caminho para melhorar as tecnologias de energia.