Correlated quasiperiodicity enables efficient thermoelectric energy conversion

ऊष्मा को अक्सर एक अपव्यय के रूप में देखा जाता है, जो इंजनों और इलेक्ट्रॉनिक्स का एक उपोत्पाद है जो बस हवा में निकल जाता है। फिर भी, दशकों से, वैज्ञानिक उस बर्बाद गर्मी को सीधे बिजली में बदलने के तरीके की तलाश कर रहे हैं, जिसे थर्मोइलेक्ट्रिसिटी (thermoelectricity) के रूप में जाना जाता है। एक ऐसे उपकरण की कल्पना करें जो कार के इंजन या कंप्यूटर चिप की गर्मी का उपयोग करके एक सेंसर को शक्ति दे सके, जो बिजली उत्पन्न करने का एक स्वच्छ, यांत्रिक-मुक्त तरीका प्रदान करे। ऐसे उपकरण की दक्षता को एक विशिष्ट संख्या द्वारा मापा जाता है; यह संख्या जितनी अधिक होगी, सामग्री गर्मी को बिजली में बदलने में उतनी ही बेहतर होगी। लंबे समय तक, यह संख्या व्यापक उपयोग के लिए बहुत कम रही है, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि जो सामग्रियां बिजली का अच्छा संचालन करती हैं, वे गर्मी का भी अच्छा संचालन करती हैं, जिससे गर्मी को वहां रोकना कठिन हो जाता है जहां उसे बिजली उत्पन्न करने के लिए आवश्यक है।

शोधकर्ताओं ने पाया है कि सामग्रियों को व्यक्तिगत परमाणुओं के पैमाने तक छोटा करने से नियम बदल जाते हैं। इन सूक्ष्म, निम्न-आयामी प्रणालियों में, बिजली उत्पादन को बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रों के संचलन को नियंत्रित किया जा सकता है जबकि ऊष्मा प्रवाह को कम रखा जा सकता है। हालांकि, इस संतुलन को प्राप्त करने के लिए परमाणुओं की सही व्यवस्था खोजना एक चुनौती रही है। भारतीय सांख्यिकीय संस्थान के भौतिकविदों का एक नया अध्ययन पूर्ण व्यवस्था और पूर्ण अराजकता के बीच एक अनूठे मध्य मार्ग की खोज करता है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार की परमाणु व्यवस्था की जांच की जिसे 'क्वासीपेरियोडिक' (quasiperiodic) संरचना कहा जाता है, जहाँ पैटर्न दोहराया जाता है लेकिन कभी भी पूरी तरह से मेल नहीं खाता, जिससे एक ऐसा परिदृश्य बनता है जो न तो यादृच्छिक है और न ही नियमित। इस पैटर्न को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टीम ने एक अत्यधिक कुशल थर्मोइलेक्ट्रिक प्रणाली बनाने का तरीका खोज निकाला, जो संभावित रूप से विद्युत और तापीय प्रवाह को संतुलित करने की दीर्घकालिक समस्या को हल करता है।

शोधकर्ताओं ने परमाणुओं की एक एक-आयामी श्रृंखला (one-dimensional chain) पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक सैद्धांतिक मॉडल है जो दो ऊष्मीय कुंडों (heat baths) को जोड़ता है, एक गर्म और एक ठंडा। एक पूर्ण, व्यवस्थित श्रृंखला में, इलेक्ट्रॉन कुशलतापूर्वक बिजली और गर्मी दोनों ले जाते हैं। यह करंट चलाने के लिए तो अच्छा है, लेकिन तापमान के अंतर से वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए बुरा है, क्योंकि गर्मी बिजली के साथ बहुत आसानी से चलती है। टीम ने इस श्रृंखला में एक विशिष्ट प्रकार की अव्यवस्था (disorder) पेश की, जो टूटे हुए कांच में पाई जाने वाली यादृच्छिक अव्यवस्था नहीं थी, बल्कि एक "कमजोर रूप से परिवर्तनशील" (weakly varying) पैटर्न था। यह पैटर्न एक गणितीय नियम द्वारा निर्धारित होता है जो श्रृंखला के साथ परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों को एक सुचारू, गैर-दोहराने वाले तरीके से बदलता है। इस विशिष्ट प्रकार की अव्यवस्था को 'वीकली वेरिंग ऑब्रे-आंद्रे-हार्पर पोटेंशियल' (weakly varying Aubry-André-Harper potential) के रूप में जाना जाता है, जो एक विशेष वर्ग के असंगत (incommensurate), या बेमेल व्यवस्थाओं का वर्णन करता है।

जब वैज्ञानिकों ने इस प्रणाली का अनुकरण (simulate) किया, तो उन्होंने पाया कि कमजोर रूप से परिवर्तनशील अव्यवस्था ने इलेक्ट्रों के लिए एक अत्यधिक असमान परिदृश्य बना दिया। सुचारू रूप से बहने के बजाय, इलेक्ट्रों को एक ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम का सामना करना पड़ा जो तीखे शिखरों (peaks) और गहरे घाटियों (valleys) से भरा था। यह अनियमितता इस प्रणाली की सफलता की कुंजी है। यह इलेक्ट्रों को उनकी ऊर्जा के आधार पर अलग तरह से व्यवहार करने के लिए मजबूर करता है, जिससे एक मजबूत विषमता (asymmetry) पैदा होती है। जब शोधकर्ताओं ने प्रणाली के ऊर्जा स्तर, जिसे फर्मी ऊर्जा (Fermi energy) कहा जाता है, को इन शिखरों के किनारे के पास रखा, तो उन्होंने सीबेक गुणांक (Seebeck coefficient) में नाटकीय वृद्धि देखी, जो तापमान के अंतर से उत्पन्न होने वाले वोल्टेज का एक माप है। साथ ही, विद्युत चालकता (electrical conductance) उपयोगी होने के लिए पर्याप्त उच्च बनी रही, और इलेक्ट्रों के माध्यम से गर्मी का प्रवाह काफी कम हो गया। इस संयोजन ने उन्हें एक 'फिगर ऑफ मेरिट' (figure of merit) प्राप्त करने की अनुमति दी, जो वह संख्या है जो दक्षता को परिभाषित करती है, और जो दो से अधिक थी, एक ऐसा मान जिसे व्यावहारिक ऊर्जा रूपांतरण के लिए आवश्यक माना जाता है।

अध्ययन ने परमाणुओं के माध्यम से गर्मी के संचलन को भी शामिल किया, जिसे फोनन (phonons) के रूप में जाना जाता है। कई सामग्रियों में, गर्मी परमाणु जाली (atomic lattice) के कंपन के रूप में यात्रा करती है, जो उपकरण की दक्षता को कम कर सकती है। शोधकर्ताओं ने श्रृंखला को स्प्रिंग्स से जुड़े द्रव्यमानों की एक श्रृंखला के रूप में मॉडल किया और गणना की कि ये कंपन इस अव्यवस्थित पैटर्न के माध्यम से कैसे चलते हैं। उन्होंने पाया कि वही अनियमित पैटर्न जिसने इलेक्ट्रों की मदद की, उसने ऊष्मा ले जाने वाले कंपनों को भी बिखेर दिया (scattered)। इस प्रकीर्णन ने जाली के तापीय चालकता (thermal conductance) को कम कर दिया, जिससे समग्र दक्षता और बढ़ गई। जब गणनाओं में इलेक्ट्रोनिक और फोनोनिक दोनों योगदानों को शामिल किया गया, तब भी प्रणाली ने दो से ऊपर का फिगर ऑफ मेरिट बनाए रखा, जो कुछ विन्यासों में तीन तक पहुँच गया। इसने पुष्टि की कि प्रस्तावित पद्धति काम करती है, भले ही ऊष्मा हस्तांतरण की पूरी जटिलता को ध्यान में रखा जाए।

टीम ने यह भी परीक्षण किया कि यह परिणाम सिस्टम में होने वाले परिवर्तनों के प्रति कितना संवेदनशील है। उन्होंने अव्यवस्था की ताकत, श्रृंखला के आकार और तापमान को बदला। उन्होंने पाया कि उच्च दक्षता केवल एक सेटअप का संयोग नहीं थी बल्कि विभिन्न स्थितियों में दिखाई दी। उदाहरण के लिए, पैटर्न में बेमेल की डिग्री को बदलने से एक जिग-जैग प्रतिक्रिया उत्पन्न हुई, जिसमें उच्च दक्षता कई विशिष्ट सेटिंग्स पर दिखाई दी। उन्होंने यह भी जांचा कि श्रृंखला और इलेक्ट्रोड के बीच का संबंध परिणामों को कैसे प्रभावित करता है। हालांकि मजबूत कनेक्शनों ने आमतौर पर दक्षता को थोड़ा कम किया, फिर भी सिस्टम विभिन्न कपलिंग स्ट्रेंथ के बावजूद मजबूत और प्रभावी बना रहा। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके निष्कर्ष इस विशिष्ट प्रकार की अव्यवस्था के अनूठे हैं, उन्होंने अपने परिणामों की तुलना उसी मॉडल के एक अधिक पारंपरिक संस्करण के साथ की। पारंपरिक मॉडल, जिसमें "कमजोर रूप से परिवर्तनशील" विशेषता की कमी है, ने कम दक्षता मान प्रदर्शित किए, जिससे पुष्टि हुई कि उनके द्वारा चुने गए पैटर्न में विशिष्ट, सुचारू भिन्नता ही महत्वपूर्ण कारक था।

शोधकर्ताओं ने यह भी विचार किया कि क्या इस सैद्धांतिक मॉडल को वास्तविक प्रयोगशाला में बनाया जा सकता है। उन्होंने उल्लेख किया कि समान पैटर्न पहले ही लेजर और अतिशीत परमाणुओं (ultracold atoms) का उपयोग करके बनाए जा चुके हैं, जहाँ प्रकाश आवश्यक ऊर्जा परिदृश्य बनाता है। उन्होंने यह भी सुझाव दिया कि एक नैनोवायर पर छोटे गेटों के सरणियों (arrays) का उपयोग सीधे आवश्यक वोल्टेज प्रोफाइल लागू करने के लिए किया जा सकता है। ये संभावनाएं बताती हैं कि यह प्रणाली केवल एक गणितीय जिज्ञासा नहीं है, बल्कि भविष्य के उपकरणों के लिए एक व्यवहार्य डिज़ाइन है। एक वास्तविक तापमान अंतर के लिए बिजली के आउटपुट की गणना करके, टीम ने अनुमान लगाया कि उनका प्रस्तावित सिस्टम मापने योग्य मात्रा में बिजली उत्पन्न कर सकता है, जो दर्शाता है कि उच्च दक्षता संख्याएं वास्तविक ऊर्जा रूपांतरण क्षमता में परिवर्तित होती हैं।

यह कार्य थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के लिए एक नए मार्ग को उजागर करता है। पूर्ण क्रिस्टल बनाने या यादृच्छिक खामियों पर निर्भर रहने के बजाय, अध्ययन दिखाता है कि एक सावधानीपूर्वक डिज़ाइन की गई, सहसंबद्ध अव्यवस्था (correlated disorder) अधिक प्रभावी हो सकती है। कमजोर रूप से परिवर्तनशील पैटर्न एक अनूठा वातावरण बनाता है जहाँ इलेक्ट्रॉन और गर्मी अलग तरह से व्यवहार करते हैं, जिससे उच्च विद्युत आउटपुट और कम ऊष्मा हानि एक साथ संभव होती है। निष्कर्ष बताते हैं कि इस पैटर्न के विशिष्ट मापदंडों को ट्यून करके, वैज्ञानिक ऐसी सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो वर्तमान तकनीकों की तुलना में अपशिष्ट ऊष्मा को इकट्ठा करने में कहीं अधिक कुशल हों। हालांकि अध्ययन भौतिक प्रयोगों के बजाय संख्यात्मक सिमुलेशन पर आधारित है, फिर भी परिणाम मापदंडों की एक विस्तृत श्रृंखला में सुसंगत हैं, जो भविष्य के प्रयोगात्मक कार्यों के लिए एक मजबूत सैद्धांतिक आधार प्रदान करते हैं। इसके संभावित अनुप्रयोग केवल बिजली उत्पादन से परे हैं, जो नैनोस्केल प्रणालियों में क्वांटम ट्रांसपोर्ट और फेज ट्रांजिशन को नियंत्रित करने के नए तरीकों की ओर संकेत करते हैं।