Впервые обнаружен гигантский нелинейный эффект Нернста в трёхслойном графене

a, Схематическая диаграмма нелинейного эффекта Нернста в немагнитных материалах при нулевом магнитном поле. b, Коэффициент Нернста, полученный из нелинейного эффекта Нернста в трёхслойном графене и аномального эффекта Нернста в магнитных материалах. Автор: Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01963-8

Преобразование тепла в электричество, известное как термоэлектрическое преобразование энергии, доказало свою эффективность для различных практических применений. Например, оно используется для генерации энергии во время космических экспедиций и военных миссий в сложных условиях, а также для утилизации отработанного тепла на промышленных предприятиях, электростанциях и даже в транспортных средствах.

Успешное преобразование тепла в электричество основано на одном из двух эффектов — эффекте Зеебека или эффекте Нернста. Эффект Зеебека возникает, когда два разных материала соединены в двух точках с разной температурой, что создаёт электрический ток в цепи. Эффект Нернста, в свою очередь, подразумевает генерацию поперечного напряжения в материале с температурным градиентом.

До сих пор эффект Нернста наблюдался в основном в системах с нарушенной временной симметрией — либо под воздействием внешнего магнитного поля, либо в магнитных материалах. Однако недавние физические теории предположили, что нелинейный эффект Нернста (NNE) может возникать в немагнитных материалах, причём без внешнего магнитного поля.

Исследователи из Университета Фудань и Пекинского университета впервые экспериментально подтвердили эту идею. Их статья, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, описывает наблюдение значительного нелинейного эффекта Нернста в трёхслойном графене с нарушенной симметрией инверсии (ABA-трёхслойный графен).

«Наше исследование вдохновлено уникальными вызовами и возможностями в области термоэлектричества», — рассказал Phys.org Пань Хэ, один из ведущих авторов работы. «Классический эффект Нернста, создающий поперечное напряжение из температурного градиента, обычно требует нарушения временной симметрии, часто с помощью магнитного поля. Это ограничивает миниатюризацию и интеграцию термоэлектрических устройств. Однако недавние теоретические предсказания предложили новый феномен — NNE».

NNE может возникать в немагнитных материалах без внешнего магнитного поля. Хотя это открытие перспективно для создания устройств, преобразующих тепло в электричество, до сих пор эффект не удавалось подтвердить экспериментально.

«Нашей главной целью было первыми экспериментально наблюдать этот эффект и подтвердить теоретические предсказания», — пояснил Хэ. «Для этого мы создали высококачественные устройства с микронагревателями и термометрами, чтобы точно контролировать температурный градиент. Затем использовали низкочастотные гармонические измерения для обнаружения нелинейного эффекта Нернста».

Учёные применили синусоидальный ток к нагревателю, создав температурный градиент, который колебался с удвоенной частотой. В результате NNE проявился как поперечное напряжение четвёртой гармоники — нелинейный отклик на температурный градиент, в отличие от линейного отклика классического эффекта Нернста.

«Мы впервые наблюдали гигантский NNE в немагнитном материале без магнитного поля», — заявил Хэ. «Измеренный коэффициент Нернста достигал 300 мкВ/К при 2 К, что примерно в 100 раз выше, чем у магнитных материалов в аналогичных условиях».

Это открытие может привести к созданию компактных термоэлектрических устройств, не требующих магнитных материалов или внешних полей. В будущем исследователи планируют изучить другие материалы, способные демонстрировать NNE при комнатной температуре, а также оптимизировать эффект с помощью магнитных полей.

«Наша конечная цель — реализовать NNE в трёхмерных материалах, преодолев ограничения 2D-систем», — добавил Хэ.

Дополнительная информация: Hao Liu et al, Nonlinear Nernst effect in trilayer graphene at zero magnetic field, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01963-8