Proprietà termoelettriche della normale balistica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14263 (2023) Citare questo articolo

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I semimetalli di Weyl sono una nuova classe di materiali topologici che possiedono proprietà fisiche eccezionali. Indaghiamo le proprietà termoelettriche di un campione semimetallico balistico Weyl collegato a due contatti normali. Introduciamo un modello per valutare i coefficienti termoelettrici della giunzione e analizzarne le caratteristiche lungo due direzioni distinte, una lungo l'asse chirale del semimetallo di Weyl e l'altra perpendicolare ad esso. Dimostriamo che la risposta termoelettrica di questa giunzione dipende dal fatto che si trovi lungo l'asse chirale del semimetallo di Weyl o meno. La conduttanza elettrica e termica di questa giunzione rivela una notevole dipendenza dalla lunghezza e dal potenziale chimico dello strato semimetallico di Weyl. In particolare, osserviamo che, diminuendo il potenziale chimico nei contatti normali, si aumenta il coefficiente di Seebeck e la figura di merito termoelettrico della giunzione a valori sostanziali. Pertanto, sveliamo che una giunzione balistica del semimetallo Weyl può fungere da segmento fondamentale per l’applicazione in futuri dispositivi termoelettrici per la raccolta di energia termica.

I semimetalli di Weyl (WSM) sono una nuova classe di materia topologica che ha recentemente suscitato un immenso interesse1. Le bande di conduzione e di valenza nella dispersione energetica dei WSM si toccano in un numero pari di nodi Weyl e presentano dispersioni lineari attorno ad essi2,3. Il numero e la chiralità dei nodi Weyl sono specificati dalla classe di simmetria del materiale4. I WSM sono classificati in tipo I5 e tipo II6 a seconda che abbiano superfici di Fermi puntiformi o aperte attorno ai nodi di Weyl. Nei WSM sono stati osservati alcuni fenomeni nuovi ed esotici come l'anomalia chirale7, l'effetto Hall anomalo8,9, la magnetoresistenza negativa10 e l'effetto Nernst anomalo11.

Il calore viene dissipato nella maggior parte dei dispositivi e viene principalmente sprecato o causato dal surriscaldamento del dispositivo con conseguenti interferenze nella sua funzionalità. Gli effetti termoelettrici (TE) sono promettenti per la raccolta di energia rinnovabile e lo smistamento dei rifiuti energetici nei dispositivi tramite la conversione calore-tensione, nonché per altre applicazioni come la termometria e la refrigerazione12,13. I materiali termoelettrici con elevata efficienza termoelettrica possono convertire il calore di scarto in elettricità utile14,15. L'efficienza di un sistema per generare energia elettrica da un gradiente di temperatura è determinata dai coefficienti termoelettrici16. Il coefficiente di Seebeck specifica una corrente (condizione al contorno chiuso) o una polarizzazione (condizione al contorno aperto) indotta dalla differenza di temperatura mantenuta tra due serbatoi collegati al sistema17,18. Il coefficiente di Nernst, o coefficiente di Seebeck trasversale, determina la corrente (polarizzazione) termicamente indotta generata nella direzione trasversale sia al gradiente di temperatura che al campo magnetico applicato19. L'identificazione di materiali con elevate risposte termoelettriche è fondamentale per lo sviluppo di nuovi generatori e dispositivi di raffreddamento elettrici. Inoltre, i coefficienti termoelettrici forniscono informazioni sul flusso di energia e di carica a causa dell'elevato impatto della densità degli stati sui coefficienti termodinamici rispetto alla conduttanza elettrica20,21,22. Pertanto, lo studio degli TE può costituire un valido strumento per l'esplorazione delle dinamiche del sistema.

Il contributo elettronico alla conduttività termica e al potere termico dei WSM e dei semimetalli di Dirac (DSM) è stato studiato utilizzando un approccio Boltzmann semiclassico23. Si è scoperto che la conduttività termica e la termopotenza hanno un'interessante dipendenza dal potenziale chimico caratteristico della dispersione elettronica lineare di questi materiali24. È stato dimostrato che questi materiali hanno un comportamento molto singolare a drogaggio zero e temperatura zero a causa di un'anomalia quantistica. La potenza termica e la figura di merito termoelettrica dei DSM e WSM sottoposti ad un campo magnetico quantizzante cresce linearmente con il campo senza saturazione e può raggiungere valori estremamente elevati25,26. È stato studiato l'impatto della curvatura di Berry e della magnetizzazione orbitale sul potere termico nei WSM inclinati27. Si è scoperto che l'inclinazione dei nodi di Weyl induce termini lineari di campo magnetico nelle matrici di conduttività e termopotenza. Il termine lineare B appare nei coefficienti di Seebeck quando il campo B viene applicato lungo l'asse di inclinazione. L'effetto Nernst nei DSM e nei WSM asimmetrici con inversione è stato calcolato nell'ambito dell'approccio semiclassico di Boltzmann28. Si è scoperto che nei punti di Dirac, la risposta di Nernst a bassa temperatura e basso campo magnetico è dominata da un effetto Nernst anomalo, derivante da un profilo non banale della curvatura di Berry sulla superficie di Fermi. Inoltre, sono stati studiati gli effetti Nernst anomali e Hall termici in un modello linearizzato a bassa energia di WSM inclinati29,30,31,32.