Ingegneri meccanici presso l'Università della California, lungo il fiume, hanno riportato successo nell'utilizzo di materiali poco costosi per produrre dispositivi termoelettrici che trasformano il calore di scarto di basso livello in elettricità.

Il loro progresso potrebbe consentire un'ampia varietà di applicazioni commerciali. Per esempio, l'integrazione di dispositivi di generazione termoelettrica nei chip dei computer potrebbe consentire al calore che producono di fornire una fonte di energia. Il calore di scarto dei motori delle automobili potrebbe far funzionare l'elettronica di un'auto e fornire il raffreddamento. Le celle solari fotovoltaiche potrebbero essere rese più efficienti sfruttando il calore della luce solare che le colpisce per generare più elettricità.

Anche, utilizzando la stessa tecnologia di base, potrebbero essere prodotti frigoriferi termoelettrici economici che sarebbero più efficienti dal punto di vista energetico e con meno parti mobili rispetto ai frigoriferi che utilizzano compressori e refrigerante. Gli attuali frigoriferi termoelettrici sono costosi e relativamente inefficienti. In sostanza, funzionano al contrario dei generatori termoelettrici, con una corrente elettrica applicata per generare un gradiente di temperatura che potrebbe essere utilizzato in raffreddamento.

Sebbene i generatori termoelettrici siano stati altamente affidabili, ad esempio alimentando sonde spaziali come la navicella spaziale Voyager per decenni, il loro uso è stato limitato dalla spesa e dalla complessità dei materiali richiesti.

Però, ricercatori guidati dall'assistente professore di ingegneria meccanica Sandeep Kumar, hanno riferito di aver ottenuto una significativa conversione di energia termoelettrica utilizzando una combinazione di una lega di nichel-ferro e silicio. Il documento scientifico sui loro risultati è apparso di recente online sulla rivista Physica Status Solidi-Rapid Research Letters. I coautori del documento erano gli studenti laureati Ravindra Bhardwaj e Paul Lou.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno costruito un sandwich supersottile a due strati di Permalloy ferro-nichel e una forma di silicio chiamata silicio di tipo p. Lo strato di Permalloy aveva uno spessore di 25 nanometri, e i ricercatori hanno prodotto dispositivi in ​​cui lo strato di silicio aveva uno spessore di 100 nanometri, 25 nanometri e 5 nanometri. A confronto, un capello umano ha uno spessore di circa 200 micron.

Quando i ricercatori hanno applicato calore allo strato di Permalloy, sono stati in grado di produrre una tensione elettrica nel sandwich, a causa di un fenomeno fisico scoperto di recente noto come effetto spin-Seebeck. In questo effetto, un gradiente di temperatura genera una corrente di spin dalla sostanza ferromagnetica, producendo una tensione elettrica nel silicio. La maggiore tensione prodotta nel dispositivo era dovuta a un meccanismo chiamato "accoppiamento spin-orbita di Rashba".

I ricercatori hanno raggiunto uno dei voltaggi più grandi mai misurati nel dispositivo con lo strato di silicio spesso 5 nanometri.

"Tali dispositivi saranno in grado di generare elettricità in qualsiasi situazione in cui ci siano piccoli gradienti di temperatura, " disse Kumar. "Per, esempio, un chip di computer si riscalda tipicamente fino a circa sessanta gradi centigradi, mentre la temperatura circostante può essere di venticinque gradi. Così, tali generatori termoelettrici di spin integrati nei chip dei computer potrebbero generare quantità significative di elettricità dal calore che altrimenti andrebbe sprecata".

"Anche, i pannelli solari fotovoltaici diventano abbastanza caldi, quindi l'integrazione di generatori termoelettrici in tali pannelli potrebbe generare elettricità aggiuntiva da quel calore di scarto, " ha detto. "Generatori termoelettrici potrebbero anche essere integrati nelle automobili, dove le temperature del motore possono raggiungere i cento gradi centigradi, rispetto ad una temperatura ambiente di venticinque gradi. In tale applicazione, l'elettricità generata potrebbe alimentare l'elettronica dell'auto e persino fornire il raffreddamento".

Gli ultimi esperimenti costituiscono solo l'inizio dello sviluppo della nuova tecnologia termoelettrica, ha detto Kumar, il quale ha aggiunto che è stato depositato un brevetto provvisorio per la scoperta.

"Abbiamo appena scalfito la superficie delle possibilità, " ha detto. "Crediamo di poter generare ancora più energia dallo stesso gradiente di temperatura utilizzando più strati, proprio come mettere insieme le batterie aumenta la produzione di energia. E, stiamo esplorando altre terre abbondanti, materiali economici che potrebbero rivelarsi efficaci nei dispositivi termoelettrici di spin."

Il titolo dell'articolo è "Miglioramento gigante dell'effetto Rashba spin-Seebeck in film sottili NiFe/p-Si".