Een nieuwe manier om elektriciteit op te wekken in speciale materialen, Weyl-magneten genaamd, is ontdekt door natuurkundigen van de Universiteit van Tokio. De methode maakt gebruik van temperatuurgradiënten, temperatuurverschillen in een materiaal. Dit zou de weg kunnen effenen voor onderhoudsvrije remote sensing-apparaten of zelfs medische implantaten.

"Onze methode maakt gebruik van een fenomeen dat het abnormale Nernst-effect wordt genoemd en dat nog nooit op deze manier is gebruikt, " zegt professor Satoru Nakatsuji van het Institute for Solid State Physics. "Ik kan me voorstellen dat dit de krachtbron zou kunnen zijn voor een nieuwe generatie low-power, onderhoudsarme elektronische apparaten. We hebben iets gemaakt waar ingenieurs van kleine apparaten op hebben gewacht."

Dus wat is dit abnormale Nernst-effect en hoe kan het tot zo'n grote sprong voorwaarts leiden?

"Het abnormale Nernst-effect is wanneer een gemagnetiseerd stuk metaal een spanning genereert die onderhevig is aan een warmtegradiënt erover, dus het is aan de ene kant heter en aan de andere kant koeler, " legt Nakatsuji uit. Dit is vergelijkbaar met een meer gevestigd fenomeen dat het Seebeck-effect wordt genoemd, die verantwoordelijk is voor de opwekking van energie in thermozuilen, de functionele componenten van thermo-elektrische generatoren. Deze worden gebruikt in ruimtesondes zoals Voyager en New Horizons, onder andere. Met het Seebeck-effect, de spanning wordt opgewekt tussen de warme en koude gebieden van het betreffende metaal, dus het is evenwijdig aan de temperatuurgradiënt. Het afwijkende Nernst-effect genereert echter een spanning over de lengte van een gemagnetiseerd stuk metaal, loodrecht op de temperatuurgradiënt.

De onderzoekers observeren dit effect in een speciaal soort metaal (Co2MnGa) dat bekend staat als een Weyl-magneet. Dit levert het eerste duidelijke bewijs voor het bestaan ​​van Weyl-fermionen in een materiaal, elementaire deeltjes die Weyl-magneten hun unieke eigenschappen geven. En er zijn belangrijke praktische implicaties. De apparaten zijn veel eenvoudiger dan die voor het Seebeck-effect, dunne films in tegenstelling tot pilaarachtige structuren dankzij die loodrechte in plaats van parallelle spanning. Ze zijn dus flexibel en kunnen in verschillende nuttige vormen worden gemaakt. "Onze materialen, omdat ze veel vaker voorkomen en volledig niet-toxisch zijn, kunnen apparaten ook veel goedkoper zijn om te produceren, " zegt Nakatsuji. "Het beste van alles, in tegenstelling tot eerdere apparaten, ze zijn efficiënt bij kamertemperatuur, dus massaproductie van dergelijke apparaten is in ons vizier."

Er is echter een vangst, in die zin dat de methode gewoonlijk ongeveer 0,1% van de spanning van het equivalente Seebeck-effectsysteem produceert, ongeveer 0,1 microvolt vergeleken met 100 microvolt, dus we zullen deze technologie misschien niet snel in ruimtesondes zien. "Echter, we streven ernaar om onze methode vergelijkbaar te maken met het Seebeck-effect in termen van efficiëntie, " zegt Nakatsuji. "En zelfs daarvoor, gezien de andere voordelen, deze technologie zou een snelle wijdverbreide toepassing kunnen zien." Sinds de ontdekking van Weyl-magneet-thermozuilen in 2015 die het afwijkende Nernst-effect vertonen, hun energieopwekkingsefficiëntie is duizendvoudig toegenomen, met deze recente bevinding alleen al door 8 microvolt per Kelvin te observeren, een hele orde van grootte toename ten opzichte van de vorige maximale gerapporteerde waarde van ongeveer 0,1 microvolt per Kelvin.

Ingenieurs streven er voortdurend naar om de energie-efficiëntie van apparaten en de bronnen die die stroom leveren te verbeteren. Een algemeen doel is het creëren van functionele apparaten, zoals sensoren, die aan het werk kan worden gezet en vervolgens alleen kan worden gelaten zonder dat er onderhoud of vervangende batterijen nodig zijn. Ze zouden stroom opwekken met hun eigen Weyl-thermopile-apparaten door gebruik te maken van omgevings- of afvalwarmte of misschien zelfs zonlicht. Computerwetenschappers zijn mogelijk ook geïnteresseerd in deze bevindingen, aangezien Weyl-magneten nuttig kunnen zijn in toekomstige hogesnelheids-, technologieën voor gegevensopslag met hoge dichtheid.

De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .