Esperimento quantistico per i materiali termoelettrici

La generazione di elettricità dal calore comporta solitamente la combustione di un combustibile che riscalda un liquido, il quale a sua volta aziona una turbina meccanica che alla fine genera elettricità. Con i materiali termoelettrici, l'intero ciclo eseguito da un motore a combustione avviene in modo naturale. Tuttavia, questo effetto è debole e, con i materiali finora conosciuti, la resa dei generatori termoelettrici è molto inferiore a quella delle centrali elettriche.

Attualmente, la tecnologia viene utilizzata principalmente per spingere sonde spaziali come il rover Curiosity su Marte o per piccoli dispositivi come sensori autonomi di energia. Tuttavia, gli esperti prevedono un'ampia gamma di possibili applicazioni in futuro. In un motore si perde molto calore. Le aziende automobilistiche stanno già testando vari sistemi per recuperare energia dai gas di scarico e prevedono un risparmio di carburante del 3-5%. Altre applicazioni potrebbero includere telefoni cellulari o orologi alimentati dal calore del corpo. Poiché il calore viene solitamente perso durante le attività umane, un materiale termoelettrico altamente efficiente sarebbe un'importante fonte rinnovabile di energia.

Il simulatore di materiali termoelettrici dell'ETH di Zurigo è ospitato in una camera a vuoto di vetro. Al suo interno si trova un gas composto da atomi di litio. Il gas viene raffreddato con il laser a temperature molto basse, vicine allo zero assoluto, inferiori a meno 273 gradi Celsius. In queste condizioni, gli atomi del gas si comportano come gli elettroni di un solido. Per simulare la termoelettricità, gli atomi vengono catturati con raggi laser. Questi creano una struttura variabile nello spazio in cui gli atomi si muovono come gli elettroni in un solido.

Una grande sorpresa

Simulare il comportamento di materiali complessi utilizzando atomi catturati da laser è un metodo consolidato a Zurigo. Negli ultimi dieci anni, il team di ottica quantistica dell'ETH ha effettuato ricerche su superconduttori, magneti e persino componenti elettronici. Ma Tilman Esslinger, professore di ottica quantistica, non si aspettava che il nuovo esperimento avesse un così grande successo. "Con mezzi semplici, stiamo ricreando una termoelettricità altrettanto potente di quella dei materiali naturali", spiega. "? stata una grande sorpresa".

Sebbene si tratti ancora di ricerca fondamentale, l'esperimento potrebbe avere un impatto maggiore sulla scienza ed ingegneria dei materiali di quanto inizialmente pensato dal team. "Il nostro esperimento potrebbe fungere da punto di riferimento", afferma Jean-Philippe Brantut, che continuerà la sua ricerca finanziata dalla Swiss National Science Foundation. Nei prossimi due anni, il team cercherà di sviluppare ulteriormente l'esperimento originale per studiare sistemi più complessi. Tuttavia, la simulazione dell'atomo freddo sta già gettando nuova luce sulla termoelettricità: un confronto tra teoria ed esperimento, spesso difficile per i materiali naturali a causa della loro elevata complessità, può ora essere effettuato proprio sugli atomi. Anche gli effetti di guasti e disturbi sul materiale sono stati studiati con successo grazie al simulatore di atomi freddi.

Grazie a queste nuove conoscenze, i processi alla base della termoelettricità possono essere studiati in modo controllato. In futuro, ciò potrebbe essere utilizzato per simulare e sviluppare materiali termoelettrici, in particolare quando gli esperimenti con materiali naturali richiedono ancora un'interpretazione teorica.