I ricercatori dell'Università di Osaka sono stati in grado di aumentare il fattore di potenza di un promettente materiale termoelettrico di oltre il 100% variando la pressione, aprendo la strada a nuovi materiali con proprietà termoelettriche migliorate. I materiali termoelettrici hanno la capacità unica di generare elettricità dalle differenze di temperatura e quindi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per convertire il calore altrimenti disperso (come il calore proveniente da laptop o server caldi) in elettricità utilizzabile.

Oltre a migliorare le proprietà termoelettriche di un materiale, i ricercatori hanno rivelato che le proprietà termoelettriche del materiale hanno origine da una transizione nella topologia della struttura a bande elettroniche, che viene indicata come transizione di Lifshitz. Questa transizione differisce dalla transizione di fase convenzionale di tipo Landau, perché avviene senza rottura di simmetria. I ricercatori hanno da tempo motivo di credere che la transizione di Lifshitz svolga un ruolo cruciale in molti fenomeni quantistici, come la superconduttività, magnetismo complesso, e proprietà termoelettriche, ma mancavano di prove dirette.

In questo nuovo studio, I ricercatori dell'Università di Osaka hanno mostrato un legame diretto tra la transizione di Lifshitz e le proprietà fisiche in un materiale termoelettrico. "Siamo stati in grado di tenere traccia della transizione di Lifshitz applicando pressione e misurando le oscillazioni quantistiche man mano che la pressione aumentava, " dice l'autore corrispondente Hideaki Sakai.

I ricercatori hanno studiato il seleniuro di stagno (SnSe), un materiale termoelettrico che è anche un semiconduttore con una piccola quantità di portatori conduttori. Nei semiconduttori, la banda di valenza a energia inferiore è piena di elettroni, che la banda di conduzione dell'energia più alta ne è priva; una volta introdotte alcune impurità e/o difetti chimici, i portatori conduttori vengono introdotti come elettroni e lacune nelle bande di conduzione e di valenza, rispettivamente, e il semiconduttore si comporterà come un conduttore. Oltre ad avere un effetto sulle proprietà di conduzione elettrica del materiale, la struttura a bande ha effetto anche sui fenomeni quantistici, come le loro capacità termoelettriche. Le bande di valenza del seleniuro di stagno non sono completamente piatte, ma normalmente hanno due valli al loro interno.

"Quando abbiamo aumentato la pressione sul materiale, abbiamo osservato un cambiamento da due a quattro valli nel materiale quando si è verificata la transizione di Lifshitz, " dice Hideaki Sakai. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare sia sperimentalmente che teoricamente che questo cambiamento nel numero di valli era direttamente responsabile del miglioramento significativo delle proprietà termoelettriche del seleniuro di stagno.

I risultati dello studio possono aiutare a preparare materiali termoelettrici migliorati in futuro e potrebbero anche aiutare a chiarire l'effetto della transizione di Lifshitz su varie proprietà di trasporto, portando a potenziali applicazioni come la nuova elettronica che utilizza i gradi di libertà della valle nella struttura della banda.