Correlated quasiperiodicity enables efficient thermoelectric energy conversion

Warmte wordt vaak gezien als afval, een bijproduct van motoren en elektronica dat simpelweg in de lucht ontsnapt. Toch zoeken wetenschappers al decennia naar een manier om die verspilde warmte direct in elektriciteit om te zetten, een proces dat thermoelektriciteit wordt genoemd. Stel je een apparaat voor dat een sensor zou kunnen voeden met de hitte van een automotor of een computerchip, wat een schone, mechanica-vrije manier biedt om energie op te wekken. De efficiëntie van een dergelijk apparaat wordt gemeten aan de hand van een specifiek getal; hoe hoger dit getal, hoe beter het materiaal warmte in elektriciteit kan omzetten. Lange tijd was dit getal te laag voor breed gebruik, grotendeels omdat materialen die goed elektriciteit geleiden ook de neiging hebben om goed warmte te geleiden, waardoor het moeilijk is om de warmte vast te houden waar deze nodig is om energie op te wekken.

Onderzoekers hebben ontdekt dat het verkleinen van materialen tot de schaal van individuele atomen de regels verandert. In deze minuscule, laagdimensionale systemen kan de manier waarop elektronen bewegen worden gemanipuleerd om de elektriciteitsopwekking te stimuleren terwijl de warmtestroom laag blijft. Het vinden van de juiste atomaire rangschikking om dit evenwicht te bereiken, is echter een uitdaging geweest. Een nieuwe studie van natuurkundigen van het Indian Statistical Institute onderzoekt een uniek middengebied tussen perfecte orde en totale chaos. Ze bestudeerden een specifiek type atomaire rangschikking gen idea quasiperiodieke structuur, waarbij het patroon zich herhaalt maar nooit precies overeenkomt, wat een landschap creëert dat noch willekeurig, noch regelmatig is. Door dit patroon zorgvuldig af te stemmen, ontdekte het team een manier om een zeer efficiënt thermoelektrisch systeem te creëren, wat potentieel het langlopende probleem van het balanceren van elektrische en thermische stroming oplost.

De onderzoekers concentreerden zich op een eendimensionale keten van atomen, een theoretisch model dat fungeert als een minuscule draad die twee warmtebaden verbindt, één heet en één koud. In een perfecte, geordende keten stromen elektronen vrij en dragen ze zowel elektriciteit als warmte efficiënt over. Dit is goed voor het verplaatsen van stroom, maar slecht voor het genereren van spanning uit een temperatuurverschil, omdat de warmte te gemakkelijk meebeweegt met de elektriciteit. Het team introduceerde een specifieke vorm van wanorde in deze keten, niet de willekeurige chaos die men vindt in gebroken glas, maar een "zwak variërend" patroon. Dit patroon wordt bepaald door een wiskundige regel die de energieniveaus van de atomen langs de keten op een vloeiende, niet-herhalende manier verschuift. Dit specifieke type wanorde staat bekend als een zwak variërend Aubry-André-Harper-potentiaal, een naam die een speciale klasse van incommensurabele, of niet-overeenstemmende, rangschikkingen beschrijft.

Toen de wetenschappers dit systeem simuleerden, ontdekten ze dat de zwak variërende wanorde een zeer ongelijkmatig landschap voor de elektronen creëerde. In plaats van soepel te stromen, stuitten de elektronen op een transmissiespectrum dat vol zat met scherpe pieken en diepe dalen. Deze onregelmatigheid is de sleutel tot het succes van het systeem. Het dwingt de elektronen om zich anders te gedragen afhankelijk van hun energie, wat een sterke asymmetrie creëert. Wanneer de onderzoekers het energieniveau van het systeem, de Fermi-energie, nabij de rand van deze pieken plaatsten, observeerden ze een dramatische toename van de Seebeck-coëfficiënt, een maatstaf voor hoeveel spanning er wordt gegenereerd door een temperatuurverschil. Tegelijkertijd bleef de elektrische geleidbaarheid hoog genoeg om bruikbaar te zijn, en de warmtestroom door de elektronen daalde aanzienlijk. Deze combinatie stelde het systeem in staat om een merite-getal, het getal dat de efficiëntie definieert, te bereiken dat de twee overschreed, een waarde die als noodzakelijk wordt beschouwd voor praktische energieconversie.

De studie ging verder door rekening te houden met de beweging van warmte door de atomen zelf, ook wel fononen genoemd. In veel materialen reist warmte als trillingen van het atomaire rooster, wat de efficiëntie van het apparaat kan ondermijnen. De onderzoekers modelleerden de keten als een reeks massa's verbonden door veren en berekenden hoe deze trillingen door het verstoorde patroon bewogen. Ze ontdekten dat hetzelfde onregelmatige patroon dat de elektronen hielp, ook de warmtedragende trillingen verstrooide. Deze verstrooiing verminderde de thermische geleidbaarheid van het rooster, wat de algehele efficiëntie verder verhoogde. Zelfs toen zowel de elektronische als de fononische bijdragen aan de warmtestroom in de berekeningen werden opgenomen, behield het systeem een merite-getal dat ruim boven de twee lag, oplopend tot zelfs drie in sommige configuraties. Dit bevestigde dat de voorgestelde methode werkt, zelfs wanneer de volledige complexiteit van warmteoverdracht in acht wordt genomen.

Het team testte ook hoe gevoelig dit resultaat was voor veranderingen in het systeem. Ze varieerden de sterkte van de wanorde, de grootte van de keten en de temperatuur. Ze ontdekten dat de hoge efficiëntie geen toevalstreffer was van een enkele opstelling, maar verscheen over een breed scala aan condities. Zo produceerde het veranderen van de mate van mismatch in het patroon een zigzagreactie, waarbij een hoge efficiëntie bij verschillende specifieke instellingen optrad. Ze controleerden ook hoe de verbinding tussen de keten en de elektroden de resultaten beïnvloedde. Hoewel sterkere verbindingen de efficiëntie over het algemeen iets verlaagden, bleef het systeem robuust en effectief bij verschillende koppelingssterktes. Om er zeker van te zijn dat hun bevindingen uniek waren voor dit specifieke type wanorde, vergeleken ze hun resultaten met een meer conventionele, standaardversie van hetzelfde model. Het conventionele model, dat het "zwak variërende" kenmerk mist, produceerde lagere efficiëntiewaarden, wat bevestigde dat de specifieke, vloeiende variatie in hun gekozen patroon de cruciale factor was.

De onderzoekers overwoogen ook of dit theoretische model in een echt laboratorium gebouwd zou kunnen worden. Ze merkten op dat vergelijkbare patronen al zijn gecreëerd met lasers en ultrakoude atomen, waarbij licht het benodigde energielandschap voor atomen creëert. Ze suggereerden ook dat arrays van minuscule poorten op een nanowire gebruikt kunnen worden om het vereiste spanningsprofiel direct toe te passen. Deze mogelijkheden suggereren dat het systeem niet slechts een wiskundige curiositeit is, maar een haalbaar ontwerp voor toekomstige apparaten. Door de vermogensoutput voor een realistisch temperatuurverschil te berekenen, schatte het team dat hun voorgestelde systeem een meetbare hoeveelheid energie zou kunnen genereren, wat aantoont dat de hoge efficiëntiecijfers vertalen naar daadwerkelijk energieconversiepotentieel.

Dit werk belicht een nieuwe weg voorwaarts voor thermoelektrische materialen. In plaats van te proberen perfecte kristallen te ontwerpen of te vertrouwen op willekeurige imperfecties, laat de studie zien dat een zorgvuldig ontworpen, gecorreleerde wanorde effectiever kan zijn. Het zwak variërende patroon creëert een unieke omgeving waarin elektronen en warmte zich verschillend gedragen, waardoor tegelijkertijd een hoge elektrische output en een laag warmteverlies mogelijk zijn. De bevindingen suggereren dat wetenschappers, door de specifieke parameters van dit patroon af te stemmen, materialen kunnen ontwerpen die veel efficiënter zijn in het oogsten van restwarmte dan de huidige technologieën. Hoewel de studie steunt op numerieke simulaties in plaats van fysieke experimenten, zijn de resultaten consistent over een breed scala aan parameters, wat een sterke theoretische basis biedt voor toekomstig experimenteel werk. De potentiële toepassingen reiken verder dan eenvoudige energieopwekking en wijzen op nieuwe manieren om kwantumtransport en faseovergangen in nanoschaalsystemen te beheersen.