Физики обнаружили антиферромагнетик с высокой эффективностью преобразования тепла в электричество

Химическая структура компенсированного антиферромагнетика. Золотые сферы обозначают атомы кобальта, синие — атомы ниобия, а серые — атомы серы. Автор: RIKEN Center for Emergent Matter Science

Физики из японского института RIKEN обнаружили магнитный материал, который с высокой эффективностью преобразует тепло в электричество, что делает его перспективным для использования в устройствах сбора энергии. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Фотографии, которые вы сохраняете на смартфоне, записываются в виде последовательности нулей и единиц в ферромагнитном материале — магнитном веществе, похожем на железо, где все магнитные моменты направлены в одну сторону.

Ферромагнетики легко управляемы, что упрощает запись данных. Однако из-за выравнивания магнитных моментов они создают сильные магнитные поля, что ограничивает их плотное размещение в малом объеме.

Антиферромагнитные материалы противоположны ферромагнетикам: их магнитные моменты чередуются в противоположных направлениях. Благодаря взаимной компенсации моментов их можно упаковывать гораздо плотнее. Но это же свойство затрудняет считывание и запись информации.

Особый тип антиферромагнетиков — «некомпланарные» (с магнитными моментами, не лежащими в одной плоскости) — сочетает преимущества обоих материалов. Как и другие антиферромагнетики, они не создают суммарного магнитного поля, но их магнитные структуры имеют тетраэдрическую форму, что облегчает управление ими.

Помимо хранения данных, антиферромагнетики перспективны для генерации электричества из тепла, что открывает возможности для создания энергопреобразующих устройств.

Команда под руководством Дуй Хань Нгуена (ранее работавшего в RIKEN, а ныне — в Токийском университете) обнаружила компенсированный антиферромагнетик с некомпланарной спиновой текстурой, демонстрирующий рекордную эффективность преобразования тепла в электричество.

«Мы были удивлены, насколько высокой оказалась эффективность преобразования, несмотря на крайне слабую намагниченность материала», — отметил Нгуен.

Моделирование материала показало отличное соответствие с экспериментальными данными. Высокая эффективность обусловлена уникальной кристаллической, магнитной и электронной структурой материала, а также их симметриями. Взаимодействие этих факторов создает «горячие точки» фиктивного магнитного поля внутри материала, что и приводит к высокой эффективности преобразования.

Команда планирует искать другие компенсированные антиферромагнетики с еще лучшими свойствами. Возможностей для модификации материала много, поскольку три его основных элемента (кобальт, ниобий и сера) можно заменять на другие.

«Химический состав этого материала очень гибкий. Изменяя его, мы сможем повысить эффективность преобразования», — пояснил Нгуен.

Использование численных расчетов на мощных компьютерных кластерах значительно ускорит поиск новых материалов.

Дополнительная информация: Nguyen Duy Khanh et al, Gapped nodal planes and large topological Nernst effect in the chiral lattice antiferromagnet CoNb3S6, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57320-9