Kagome-Metalle erzeugen ohne Magnetfelder eine enorme transversale thermoelektrische Leistung

Das Kagome-Metall LuCo₆Ge₆ weist entlang verschiedener kristallographischer Richtungen entgegengesetzte Ladungsträgerpolaritäten auf, wodurch auch ohne Magnetfelder eine riesige transversale thermoelektrische Reaktion entsteht. Diese Entdeckung begründet ein neues Konstruktionsprinzip, das die elektronischen Strukturen von Kagome-Gittern für eine effiziente Energieumwandlung nutzt.

Auf den Punkt gebracht:

Goniopolarität und außergewöhnliche Leistung: Die achsenabhängige Ladungsträgerpolarität (Goniopolarität) ermöglicht in Kombination mit Flachband- und van-Hove-Singularitätszuständen eine transversale Thermospannung von 18,4 μV K⁻¹ und eine transversale Peltier-Leitfähigkeit von 105 A m⁻¹ K⁻¹ bei Raumtemperatur und Nullfeld im Kagome-Metall LuCo₆Ge₆.

Fortschrittliche Designstrategie: Dieser auf der Fermiologie basierende Transport umgeht Probleme mit Magnetfeldern und lässt sich möglicherweise auf andere topologische und Quantenmaterialien anwenden. Dies ermöglicht Fortschritte in der Festkörperkühlung und der Abwärmerückgewinnung.

Stellungnahme einer Expertin: Prof. Claudia Felser betont, dass die Nutzung von Kagome-Elektronenstrukturen einen neuartigen Weg für thermoelektrische Bauelemente der nächsten Generation eröffnet, ohne auf magnetische Ordnung angewiesen zu sein.

Kagome-Elektronenstrukturen bieten neue Möglichkeiten

Kagome-Materialien haben sich zu einer faszinierenden Plattform für die Forschung an Quantenmaterialien entwickelt, da ihr Gitter mit gemeinsamen Ecken eine Vielzahl exotischer elektronischer Zustände beherbergt, darunter Dirac-Fermionen, flache Bänder, van-Hove-Singularitäten und unkonventionelle Supraleitung. Während diese elektronischen Eigenschaften bislang vor allem im Zusammenhang mit Topologie und der Physik korrelierter Elektronen untersucht wurden, ist ihr Potenzial für die thermoelektrische Energieumwandlung bislang weitgehend unerforscht geblieben.

Die vorliegende Studie zeigt, dass die Kagome-Fermiologie an sich eine starke transversale thermoelektrische Reaktion erzeugen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen transversalen thermoelektrischen Materialien, die auf magnetischer Ordnung und Feldern beruhen, können goniopolaritätsgetriebene transversale thermoelektrische Materialien in paramagnetischem Material unter Null-Magnetfeld betrieben werden. Die Goniopolarität, auch als achsenabhängige Ladungsträgerpolarität bekannt, erzeugt bei Anlegen eines Temperaturgradienten eine transversale Spannung und eröffnet damit einen potenziellen Weg für die transversale thermoelektrische Umwandlung.

Zwei mikroskopische Mechanismen entdeckt

Durch die Kombination von theoretischen Berechnungen und experimentellen Messungen konnten die Forscher zwei unterschiedliche mikroskopische Mechanismen identifizieren, die für den goniopolaren Transport in Kagome-Metallen verantwortlich sind.

In LuCo₆Ge₆ wirkt eine aus dem flachen Band abgeleitete Fermi-Tasche mit einer elektronenähnlichen Tasche zusammen, um entgegengesetzte Ladungsträgerpolaritäten entlang verschiedener kristallographischer Richtungen zu erzeugen. Im Gegensatz dazu zeigen LuCr₆Ge₆ und HoCr₆Ge₆ einen zweiten Mechanismus, der durch eine anisotrope Teilchen-Loch-Asymmetrie im Zusammenhang mit van-Hove-Singularitäten angetrieben wird. Diese Ergebnisse stellen einen direkten Zusammenhang zwischen der Geometrie der Kagome-Fermi-Fläche und dem transversalen thermoelektrischen Transport her. Die Transporteigenschaften hängen nicht von der Berry-Krümmung ab, sondern ergeben sich direkt aus der anisotropen elektronischen Struktur in der Nähe des Fermi-Niveaus.

Rekordwerte bei der transversalen thermoelektrischen Leistung

Unter den untersuchten Verbindungen weist LuCo₆Ge₆ eine außergewöhnliche Leistung bei Raumtemperatur auf. Bei 300 K und einem Magnetfeld von Null erreicht das Material eine transversale Thermospannung von 18,4 μV K⁻¹, eine transversale Peltier-Leitfähigkeit von 105 A m⁻¹ K⁻¹ und einen transversalen Leistungsfaktor von 8,2 μW cm⁻¹ K⁻². Diese Werte übertreffen die für bestehende anomal-Nernst-Materialien bei Nullfeld gemeldeten Werte (Maximalwert: ~6 μV K^–1 bei 300 K).

„Aufzudecken, wie die Kagome-Fermi-Fläche den Landungstransport steuert, war für uns das Spannendste an dieser Arbeit.“ Erstautor Dr. Haihua Hu, Wissenschaftler am MPI CPfS führt weiter aus: „Unsere Ergebnisse enthüllen den mikroskopischen Ursprung des riesigen transversalen thermoelektrischen Effekts auch ohne Magnetfelder und sie stellen einen direkten Zusammenhang zwischen der Goniopolarität und der elektronischen Kagome-Struktur her.

Die Entdeckung etabliert den fermiologisch gesteuerten goniopolaren Transport als vielversprechendes Konstruktionsprinzip für transversale Thermoelektrika. Da der Mechanismus keine magnetische Ordnung erfordert, vermeidet er Probleme im Zusammenhang mit Streumagnetfeldern und gewährleistet gleichzeitig eine hervorragende thermoelektrische Leistung. Die Forscher gehen davon aus, dass dieses Konzept über Kagome-Metalle hinaus auf eine breite Klasse topologischer und Quantenmaterialien ausgeweitet werden kann und neue Möglichkeiten für kompakte Festkörperkühlungs- und Abwärmerückgewinnungstechnologien eröffnet.

„Unsere Arbeit zeigt, dass die einzigartige elektronische Struktur von Kagome-Materialien direkt genutzt werden kann, um ohne Magnetfelder eine enorme transversale Thermoelektrizität zu erzeugen“, sagt Prof. Claudia Felser, Direktorin am MPI CPfS und korrespondierende Autorin dieser Studie. „Dieser durch die Fermiologie getriebene Mechanismus eröffnet eine grundlegend neue Richtung für die Entwicklung thermoelektrischer Materialien und Bauelemente der nächsten Generation.“