Это произошло почти случайно: в Цюрихе член группы Жан-Филипп Бранту и его коллеги только что поставили новый эксперимент, когда посетивший его профессор Антуан Жорж из Колледжа де Франс и Женевского университета взглянул на лабораторию и был в восторге. «Мы действительно не думали, что в нашем эксперименте мы сможем получить эффективное термоэлектричество, — вспоминает Жан-Филипп Бранту, — но затем он сказал нам, что наша установка была чрезвычайно интересной, в чем он и его коллега Коринна Коллат (Университет Бонна)» и Шарль Гренье (Политехническая школа — CNRS) искали в течение многих лет ».Антуан Жорж вернулся на следующий же день с кучей уравнений, чтобы убедить исследователей в том, что их эксперимент является идеальным способом изучения термоэлектричества. Это вызвало плодотворное сотрудничество между теоретиками из Парижа, Бонна и Женевы и экспериментаторами из Цюриха.
Результаты международной команды теперь представлены в «Науке».От тепла к электричеству
Выработка электричества из тепла обычно включает сжигание горючего, которое затем нагревает жидкость, которая приводит в движение механическую турбину, которая в конечном итоге производит электрический ток. В термоэлектрических материалах весь цикл, выполняемый тепловым двигателем, происходит естественным образом.
Однако этот эффект невелик, и для известных до сих пор материалов эффективность термоэлектрических генераторов намного меньше, чем у электростанций.В настоящее время эта технология в основном используется для питания космических зондов, таких как марсоход Curiosity, исследующих планету Марс, или для небольших устройств, таких как датчики с автономным питанием. Но эксперты ожидают, что в будущем появится широкий спектр возможных приложений.
В любом двигателе теряется много тепла. Автомобильные компании уже тестируют различные системы рекуперации энергии из выхлопных газов, ожидая экономии топлива от 3 до 5%. Другими потребительскими приложениями могут быть питание мобильных телефонов или часов за счет тепла тела. Высокоэффективный термоэлектрический материал мог бы стать основным источником возобновляемой энергии, поскольку тепло обычно расходуется впустую в результате деятельности человека.
В ETH эмулятор термоэлектрического материала находится в вакуумной камере из стекла. Внутри находится газ из атомов лития. С помощью лазеров газ охлаждается до очень низких температур, близких к абсолютному нулю ниже минус 273 градусов Цельсия. В этих условиях атомы в газе ведут себя как электроны в материале.
Для моделирования термоэлектричества атомы захватываются набором лазерных лучей. Они создают пространственно изменяющуюся структуру, в которой атомы движутся как электроны в материале.Большой сюрприз
Использование атомов, захваченных лазером, для моделирования поведения сложных материалов — хорошо испытанный метод в Цюрихе. В течение последних десяти лет группа квантовой оптики ETH изучала сверхпроводники или магниты и даже устройства, прикрепленные к проводам и проводящие токи.
Но исследователь не ожидал, что их новый эксперимент окажется таким большим успехом. «С помощью простых ингредиентов мы моделируем термоэлектричество, которое по эффективности не уступает природным материалам», — объясняет Тилман Эсслингер, профессор квантовой оптики. «Это было большим сюрпризом».Хотя это все еще фундаментальное исследование, эксперимент может оказать более сильное влияние на материаловедение, чем предполагалось вначале. «Наш эксперимент может служить своего рода эталоном», — говорит Жан-Филипп Бранту, который продолжит свои исследования, основанные Швейцарским национальным научным фондом. В следующие два года команда попытается продвинуть оригинальный эксперимент, чтобы изучить более сложные системы. Но уже сейчас имитация холодного атома проливает новый свет на термоэлектричество: сравнение теории и экспериментов, которые часто трудны для природных материалов из-за их высокой сложности, теперь можно точно провести на атомах.
Даже эффекты дефектов и беспорядка в материалах были успешно исследованы с помощью эмулятора холодного атома.Благодаря этим новым открытиям можно контролировать фундаментальные процессы, лежащие в основе термоэлектричества.
Это может помочь в моделировании и проектировании термоэлектрических материалов в будущем, особенно там, где эксперименты с природными материалами все еще не имеют теоретической интерпретации.