Gran descubrimiento en termoeléctrica: los campos magnéticos mejoran la eficacia refrigerante de los materiales topológicos
Un nuevo enfoque para la refrigeración termoeléctrica eficaz a baja temperatura
Investigadores del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, en colaboración con la Universidad de Chongqing y el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, han logrado un gran avance en termoeléctrica topológica. Su investigación, publicada en Nature Materials, ha revelado un descubrimiento pionero en termoeléctrica: la aplicación de un campo magnético débil puede mejorar significativamente el rendimiento de refrigeración de los materiales topológicos a bajas temperaturas. En un aislante topológico monocristalino Bi88Sb12 se ha obtenido una elevada figura de mérito termoeléctrico(zT) de 1,7 ± 0,2 a 180 K y 0,7 T. Este nuevo descubrimiento abre nuevas vías para la refrigeración termoeléctrica de baja temperatura por debajo de 300 K y marca un avance crítico en magnetotermoeléctrica, presentando una alternativa rentable y energéticamente eficiente a los métodos tradicionales de refrigeración.
En monocristales del aislante topológico Bi88Sb12, se alcanzó una elevada figura de mérito termoeléctrico zT de 1,7. El gráfico muestra la dependencia de la temperatura de zT en campos magnéticos de cero y 0,7 Tes. El gráfico muestra la dependencia de la temperatura de zT en campos magnéticos de cero y 0,7 Tesla.
Yu Pan, Nature materials / MPI CPfS
La tecnología termoeléctrica es ventajosa para aplicaciones de refrigeración a baja temperatura por su larga vida útil, la ausencia de compresor y el bajo nivel de ruido. Se utiliza, por ejemplo, en la industria aeroespacial, aunque la eficiencia de la conversión de energía termoeléctrica, especialmente a bajas temperaturas, sigue siendo baja. Esto se debe a la dependencia de la temperatura de la figura de mérito termoeléctrica zT.
En los últimos años, gracias al desarrollo de materiales topológicos y de la teoría topológica, los termoeléctricos de baja temperatura han logrado una atención creciente. En este caso, un equipo de investigación conjunto del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, la Universidad de Chongqing y el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras ha logrado un magneto-zT notable cercano a 2 a 180 K bajo un campo magnético bajo de sólo 0,7 T en el aislante topológico monocristal Bi88Sb12, casi tres veces superior al valor de campo cero. Además, este magneto-zT supera al de cualquier material termoeléctrico de baja temperatura conocido.
Para conseguir un alto rendimiento magnetotermoeléctrico, el paso clave es cultivar monocristales Bi1-xSbx de alta calidad. Esto supone un gran reto debido a la completa miscibilidad del Bi y el Sb, pero al mismo tiempo a los fuertes coeficientes de segregación de fases, es decir, la tendencia a la segregación y la formación de zonas de diferentes composiciones es grande. Por lo tanto, se adoptó una técnica de zona fundida flotante utilizando equipos propios, que produjo monocristales de alta calidad con una baja densidad de portadores de unos1017 cm-3 y una alta movilidad de más de 4 ×105 cm²V-1s-1 a 80 K. Esto último, junto con la dispersión de bandas única de Bi1-xSbx, es importante para la figura de mérito excepcionalmente alta zT y la extraordinaria potencia termoeléctrica magnética de Bi1--xSbx.
Según los modelos teóricos, la banda de Dirac con dispersión de banda lineal desempeña un papel esencial para un gran efecto magneto-Seebeck, que además se ve potenciado por la división Zeeman debido al gran factor g de Landé. Dado que muchos materiales topológicos presentan características similares, como la dispersión lineal de la banda de Dirac y una masa de efecto muy pequeña (por lo tanto, un factor g grande), se espera que otros materiales topológicos emergentes también presenten un alto rendimiento magnetotermoeléctrico. "Creemos que una comprensión más profunda de las propiedades magnetotermoeléctricas de Bi1-xSbx facilitará el desarrollo de termoeléctricos topológicos para aplicaciones de refrigeración a baja temperatura. "Esta es la conclusión de los dos autores principales, Yu Pan y Claudia Felser.
Estos resultados apoyan la idea de utilizar pequeños campos magnéticos para aumentar significativamente el rendimiento termoeléctrico. Destaca especialmente la capacidad de alcanzar altos valores de zT con campos magnéticos relativamente bajos, realizables utilizando imanes permanentes. Esto abre nuevas perspectivas para dispositivos termoeléctricos de refrigeración eficientes y de bajo coste. Los resultados abren posibilidades de investigación en otros materiales topológicos con propiedades similares y muestran el potencial de ampliar las fronteras logrando enormes respuestas termoeléctricas al tiempo que se aproximan al límite cuántico, lo que podría desbloquear eficiencias sin precedentes.
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Publicación original
Yu Pan, Bin He, Xiaolong Feng, Fan Li, Dong Chen, Ulrich Burkhardt, Claudia Felser; "A magneto-thermoelectric with a high figure of merit in topological insulator Bi88Sb12"; Nature Materials, Volume 24, 2025-1-3
"A weak magnetic field enhances the thermoelectric performance of topological materials"; Nature Materials, Volume 24, 2025-1-3
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