Новый термоэлектрик оказался в два раза эффективнее предшественников
Ученые нашли семейство веществ с необычайно высокой термоэлектрической эффективностью, то есть способностью превращать тепловую энергию напрямую в электричество. Самое высокое значение оказалось у соединения Fe2V0.8W0.2Al: оно более чем в два раза превышало предыдущие рекорды. Однако оценка параметра проводилась косвенным методом, а само изученное вещество метастабильно, что делает маловероятным широкомасштабные применения конкретно этого материала, пишут авторы в журнале Nature.
Термоэлектрики — это вещества, в которых возникает электрический ток при создании разностей температуры на противоположных сторонах тела. Ненулевой термоэлектрический эффект характерен практически для любых материалов, но в абсолютном большинстве случаев он слишком мал для практического применения. Однако характеристики даже самых лучших современных термоэлектриков, таких как теллурид висмута(III), позволили им стать востребованными лишь в некоторых областях. Вместе с тем потенциал у таких соединений огромен, так как функционирование многих устройств приводит к выделению тепловой энергии, которая обычно рассеивается, а не используется.
Создаваемый термоэлектриками ток зависит от разности температур и коэффициента термоэлектрической эффективности ZT, который зависит от других параметров вещества: ZT = (S2/ρλ) × T, где S, ρ и λ — это коэффициент Зеебека, электрическое сопротивление и коэффициент теплопроводности, соответственно, а T — это температура, при которой соответствующие свойства измеряются. До недавнего времени рекордные значения ZT находились в диапазоне 2,5–2,8.
Входящие в выражение для термоэлектрической эффективности величины не являются независимыми, поэтому их невозможно оптимизировать по отдельности: при улучшении одного показателя скорее всего ухудшится другой. Единственная характеристика, которую можно менять относительно свободно, — это фононная составляющая теплопроводности, которая вместе с электронной определят всю величину. Известно, что уменьшение размеров и размерностей систем уменьшает подвижность фононов и, следовательно, улучшает термоэлектрическую эффективность, поэтому многие исследования направлены на поиск новых материалов среди тонких пленок.
В работе физиков из Австрии, Китая и Японии под руководством Эрнста Байера (Ernst Bauer) из Венского технического университета описано изучение термоэлектрических свойств тонких пленок из веществ с составом Fe2V1−xWxAl. Наилучшие показатели оказались у Fe2V0.8W0.2Al. Для него в экспериментах были измерены входящие в формулу для ZT величины, из которых была вычислена сама эффективность. Она оказалась на уровне 5–6 в зависимости от условий проведения опытов и с учетом ошибок измерений.
Одной из ключевых особенностей оказалось строение вещества. Трехмерные кристаллы Fe2V0.8W0.2Al обладают кубической гранецентрированной решеткой с одинаковым расстоянием между любыми атомами одного типа. Однако при выращивании пленки на подложке из кремния получалась метастабильная фаза с объемно-центрированной решеткой, в которой никакой регулярности в расстоянии между атомами нет. Такая структура, с одной стороны, хорошо проводит ток, а с другой, ее нерегулярность стала причиной подавленной теплопроводности, то есть сочетала как раз необходимые для хорошего термоэлектрика характеристики.
Авторы отмечают, что данная разработка вряд ли перевернет область термоэлектриков, так как нужная структура стабильна только в виде пленки на субстрате, что не позволяет ей преобразовывать большие количества энергии. Однако такой элемент можно встраивать в электронику для питания сенсоров и других устройств. Также исследование показывает потенциал термоэлектриков и возможный путь для открытия новых веществ с рекордными свойствами.
Ранее ученые показали краску-электрогенератор, увеличили эффективность превращения тепла в электричество при помощи фракталов, а также нашли нетоксичный термоэлектрик для комнатной температуры.
Тимур Кешелава
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».