Калтраты помогут бороться с тепловыми потерями энергии

Термоэлектрические материалы, вырабатывающие электрический ток при соединении ими горячего и холодного объектов, могут использоваться для сохранения части энергии, теряемой при работе разными устройствами в виде тепла.

Новый термоэлектрик, созданный в Венском технологическом университете (TU Vienna), благодаря особой кристаллической структуре в сочетании с новым физическим эффектом, позволит делать это гораздо эффективнее, чем прежде.

Полученный материал относится к классу калтратов — кристаллов, в которых молекулы или атомы «гостя» заключены в полости кристаллической решетки «хозяина». В данном случае, в кристаллические «клетки» помещены магнитные атомы церия. Их постоянное взаимодействие с периодической структурой решетки «хозяина» ответственно за исключительно благоприятные термоэлектрические свойства открытого материала.

Все ранние попытки внедрить магнитные атомы, такие как редкоземельный металл церий, в структуру калтратов были неудачными. Профессор Андрей Прокофьев из TU Vienna впервые смог осуществить это при помощи сложной методики выращивания кристаллов в зеркальной печи, получив калтраты из бария, кремния и золота, охватывающие одиночные атомы церия.

Эксперименты продемонстрировали, что внедрение церия повышает эффективность термоэлектрика на 50%. Также важно, что у калтратов очень низкая теплопроводность — это препятствует выравниванию температур и прекращению выработки электричества.

По мнению ученых, причина необычно удачных свойств материала заключается в особом виде межэлектронной корреляции — так называемый эффект Кондо. Электроны атома церия квантовомеханически связываются с атомами кристаллической решетки.

Эффект Кондо известен из физики низких температур, он обычно наблюдается при приближении к абсолютному нулю. Тем не менее, неожиданно оказалось, что квантовомеханические корреляции играют важную роль в новых калтратах даже при температурах в сотни градусов Цельсия.

«Колебания захваченных атомов церия становятся сильней с повышением температуры, — говорит профессор Бюлер-Пашен (Silke Bühler-Paschen). — Эти колебания стабилизируют эффект Кондо при высоких температурах. Таким образом, мы наблюдаем самый «горячий» в мире эффект Кондо».

Исследовательская команда TU Vienna теперь пытается воспроизвести этот эффект на других разновидностях калтратов. Они рассчитывают сделать открытый ими высокоэффективный термоэлектрический материал дешевле и привлекательнее с коммерческой точки зрения, заменив золото другим металлом, таким как медь, а дорогой церий — смесью из более доступных редкоземельных элементов.