Квантовый эффект и новый источник энергии

Представьте себе смартфон, который, нагреваясь, заряжает сам себя от собственного выделенного тепла. Звучит футуристично, но, возможно, скоро это станет реальностью благодаря обнаружению нового источника энергии. Причем значительного термоэлектрического эффекта ученые обещают добиться при невысоких температурах — комнатной и даже ниже.

В мире более двух третей энергии в конечном итоге превращается в отработанное тепло и выбрасывается в атмосферу. Ученые из Массачусетского технологического института утверждают, что нашли способ эту энергию использовать.

Температурный градиент или разница в материале (металл или полупроводник), могут вызвать электрическое напряжение, возбуждающее ток. Это явление известно науке как эффект Зеебека или термо-ЭДС — электродвижущая сила, возникающая в электрической цепи, которая состоит из нескольких разнородных проводников).

Но для многих материалов термоэлектрический эффект слишком мал, чтобы быть полезным. Поэтому ученые искали материалы с достаточно высокой эффективностью преобразования, чтобы сделать термоэлектрическую генерацию более практичной. В идеале — эффективно работающие при комнатной температуре или ниже.

Когда дело доходит до эффективности преобразования, больше внимания уделяется увеличению электропроводности и снижению теплопроводности, а не термо-ЭДС. Но эффективность преобразования возрастает пропорционально квадрату значения термо-ЭДС.

Когда термо-ЭДС возрастает, электрическая проводимость падает. Но последние исследования MIT показали, что новый механизм может оптимизировать как электрическую проводимость, так и термо-ЭДС. Они основывались на теории, что сильное магнитное поле усилит термоэлектрический эффект в так называемых топологических полуметаллах Вейля.

Этот тип материала имеет общие характеристики металлов и полупроводников и некоторые уникальные особенности, например, необычные электрические свойства. А прирост термо-ЭДС возникает в нем благодаря новому термоэлектрическому квантовому эффекту Холла (явление возникновения поперечной разности потенциалов при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле).

Когда магнитное поле достаточно велико, чтобы вызвать этот эффект, достигается универсальное значение термоэлектрической холловской проводимости.

Даже при изменении магнитного поля значение холловской проводимости не изменится. Эта индуцированная термоэлектрическая холловская проводимость будет основным вкладом в термо-ЭДС, а также в общий коэффициент мощности.

Для проверки гипотезы исследователи MIT использовали образцы одного из вейлевских полуметаллов — фосфида тантала (TaP), которые были наделены точно настроенными свойствами. Из кристалла TaP ученые сделали тонкую полосу, один конец которой нагрели и под действием магнитного поля напряженностью 9 Тл измерили электр- и теплопроводность, а также наведенное напряжение.

Если в полуметалле Вейля возникнет разница температур, то под влиянием магнитного поля извне он начнет производить электричество. Изображение: MIT

Исследование дало несколько важных результатов: во-первых, выяснилось, что термоэлектрический квантовый эффект Холла действительно может быть вызван в полуметалле Вейля. Во-вторых, удалось получить очень высокое значение термо-ЭДС.

И, в-третьих, кристалл TaP достиг рекордно высокого коэффициента мощности —  произведения электропроводности и термо-ЭДС в квадрате, что очень важно для эффективного термоэлектрического преобразования. Этот коэффициент мощности был в 10 раз больше, чем в любом другом термоэлектрическом материале. Это значение ученые получили при –233 C.

Сейчас их задача состоит в том, чтобы найти полуметалл Вейля, который мог бы реализовать свой пиковый коэффициент мощности и пиковую эффективность ближе к комнатной температуре. Важно, что уже определены несколько его ключевых свойств, поэтому поиск не должен стать сложным.

Также ученые хотят заняться разработкой полуметалла, который может генерировать собственное магнитное поле благодаря введению магнитных элементов в его кристаллическую структуру, тем самым устраняя необходимость во внешнем поле.

Когда появятся новые термоэлектрические материалы, эффективно работающие при комнатной температуре или ниже, мы сможем воспользоваться преимуществами источников энергии, о которых раньше никто даже не думал.