Thermo-elektrische effecten op nanoschaal bieden nieuwe perspectieven op energiebeheer

Een nieuwe kwantumtransporttheorie onthult hoe thermo-elektrische fluctuaties op femtoseconde tijdschaal de energiecontrole op nanoschaal beïnvloeden. De Universiteit van Jyväskylä, Finland, heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van een theoretische aanpak die nauwkeurige simulaties mogelijk maakt van temperatuurverschillen en elektrische stromen in verbindingen op nanoschaal gevormd door afzonderlijke moleculen. Het onderzoek opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van componenten die worden gebruikt in kwantumtechnologieën.

Bij het thermo-elektrisch effect genereert een temperatuurverschil elektriciteit. Een bekend voorbeeld is het Seebeck-effect, waarbij een spanning ontstaat tussen de uiteinden van een materiaal dat op verschillende temperaturen wordt gehouden. Bij het Peltier-effect, een complementair fenomeen, zorgt een elektrische stroom ervoor dat het ene uiteinde van het materiaal opwarmt terwijl het andere uiteinde afkoelt.

“Het fenomeen is vooral interessant in de elektronica, waar componenten voortdurend afvalwarmte produceren. Als deze warmte weer kan worden omgezet in bruikbare elektriciteit en tegelijkertijd de oververhitting onder controle kan worden gehouden, kunnen apparaten aanzienlijk energiezuiniger worden”, legt hoofddocent Riku Tuovinen van de Universiteit van Jyväskylä uit.

De resultaten zijn gepubliceerd in PRX-energie.

Van theorie naar praktijk

Een samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Jyväskylä en de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Wroclaw onthult hoe temperatuurverschillen en elektrische stromen zich gedragen in knooppunten op nanoschaal gevormd door afzonderlijke moleculen, wanneer de elektronen niet in evenwicht zijn maar heen en weer oscilleren in de tijd.

Om dit gedrag te beschrijven werd een nieuwe benadering van de tijdsafhankelijke kwantumtransporttheorie ontwikkeld, die de studie van structuren op nanoschaal mogelijk maakt waarbij eenvoudige modellen er niet in slagen de veelzijdige kwantumeffecten vast te leggen. De theorie is al geïmplementeerd in de CHEERS-computersoftware, waardoor gedetailleerde simulaties van thermo-elektrische processen op nanoschaal mogelijk zijn.

“Onze theoretische resultaten laten zien dat moleculaire juncties ultrakorte perioden kunnen vertonen waarin de efficiëntie van thermo-elektrische conversie het steady-state-niveau overtreft, zegt Tuovinen. Dergelijke korte efficiëntiepieken tonen aan dat een dynamisch beeld van het thermo-elektrische effect cruciaal is voor zowel het begrijpen van processen op nanoschaal als het bevorderen van toekomstige kwantum- en energietechnologieën”, vervolgt hij.

Energiebeheer op nanoschaal vereist een diepgaand begrip van de kwantumdynamiek

De studie toont aan dat thermo-elektrische fluctuaties op femtoseconde-tijdschaal in moleculaire knooppunten nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor het beheersen van de energiestroom in componenten op nanoschaal.

“Dit is met name relevant voor toekomstige technologieën, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van ultrasnelle bolometers die worden gebruikt voor het uitlezen van qubits in kwantumcomputers”, voegt Tuovinen toe.

Het onderzoek benadrukt dat het begrijpen van tijdsafhankelijke kwantumfenomenen essentieel is voor het benutten van warmteoverdracht in systemen op nanoschaal.