I ricercatori dell'NCCR MARVEL hanno sviluppato una nuova teoria microscopica in grado di descrivere il trasporto di calore in modi molto generali, e si applica ugualmente bene a materiali ordinati o disordinati come cristalli o bicchieri ea qualsiasi altra via di mezzo. Questo non è solo un primo significativo - nessuna equazione di trasporto è stata finora in grado di spiegare contemporaneamente questi due regimi - mostra anche, sorprendentemente, che il calore può scavare tunnel quantisticamente, piuttosto che diffondersi come una vibrazione atomica. La nuova equazione consente inoltre per la prima volta la previsione accurata delle prestazioni dei materiali termoelettrici. Con ultrabasso, simile al vetro, conduttività termica, tali materiali sono molto ricercati nella ricerca energetica. Possono trasformare il calore in elettricità, oppure utilizzare l'elettricità per il raffreddamento senza la necessità di pompe e gas dannosi per l'ambiente.

Cristalli e vetri conducono il calore in modi fondamentalmente diversi. La disposizione regolare degli atomi in un cristallo significa che il calore è condotto dalla propagazione delle onde vibrazionali:questo è ciò che accade, ad esempio, in un chip di silicio in un computer.

nei bicchieri, che sono disordinati fino alla scala atomica, il calore viene trasferito molto più lentamente da un saltellamento casuale di vibrazioni. Nel 1929, il fisico Rudolf Peierls ha posto le basi per descrivere il trasferimento di calore, applicando ai cristalli l'ancora recente teoria dei trasporti di Boltzmann, e derivando la celebre equazione di trasporto per i fononi, da allora è stato il sostegno delle teorie microscopiche sul trasferimento di calore.

Dopo molti decenni, e sostenuto dal campo in rapido sviluppo delle simulazioni di dinamica molecolare, Philip Allen e Joseph Feldman seguirono nel 1989 con un'equazione applicabile agli occhiali. Ora, Gli scienziati MARVEL hanno scoperto come derivare una formulazione più generale che descriva ugualmente bene entrambe le classi di materiali, così come tutto il resto.

Nel documento "Teoria unificata del trasporto termico in cristalli e vetri, " fuori ora in Fisica della natura , Ph.D. dell'EPFL allievo Michele Simoncelli, insieme a Nicola Marzari, direttore di NCCR MARVEL, e professore all'Istituto dei Materiali, e il collega Francesco Mauri dell'Università di Roma La Sapienza, derivare da una teoria generale per i sistemi quantistici dissipativi l'equazione microscopica che tiene conto sia delle caratteristiche particellari che ondulatorie del trasferimento di calore.

Si scopre che Peierls aveva scartato un componente chiave nella propagazione del calore, dove le eccitazioni vibrazionali possono scavare, di tipo quantistico, da uno stato all'altro. Mentre tali contributi di tunneling sono trascurabili nei cristalli perfetti, diventano più rilevanti quando un sistema diventa disordinato, e in un bicchiere, danno origine al formalismo di Allen-Feldman. Ma la nuova equazione è molto più generale e può essere applicata con uguale precisione a qualsiasi materiale, che comprende l'emergere e la coesistenza di tutte le eccitazioni vibrazionali conosciute. criticamente, questa nuova teoria della conduzione del calore copre materiali che sono sia simili al cristallo che al vetro:questi hanno una grande importanza tecnologica, perché possono essere ottimi termoelettrici, questo è, materiali in grado di convertire il calore in elettricità, o elettricità in raffreddamento.

I materiali termoelettrici hanno un significato nelle applicazioni energetiche perché generano elettricità dal calore disponibile come quello proveniente da processi industriali, motori di auto e camion, o dal sole. Avere materiali termoelettrici più efficienti (circa tre volte lo standard attuale) cambierebbe completamente tutte le nostre tecnologie di refrigerazione e condizionamento perché i materiali termoelettrici possono essere utilizzati al contrario e sfruttare l'elettricità per il raffreddamento anziché produrre elettricità dal calore. In particolare, Albert Einstein ha lavorato sui frigoriferi per otto anni, dal 1926 al 1934, e all'apice delle sue facoltà intellettuali, insieme al suo allievo Leó Szilárd, ha brevettato un frigorifero senza parti in movimento, come accadrebbe in un frigorifero termoelettrico.

Creazione di tali dispositivi, però, richiede una conoscenza approfondita di come e in che misura conduce il calore. E fino ad ora, teoria e modellizzazione hanno avuto un successo limitato. Un buon termoelettrico deve essere un conduttore elettrico, e quindi abbastanza cristallino, ma anche un isolante termico, e quindi abbastanza vetroso, deve essere in grado di trasportare e condensare cariche positive e negative su due lati diversi di un dispositivo, creando un potenziale elettrico. Cercare di trattare i termoelettrici come cristalli o vetri in termini di equazioni di trasporto del calore disponibili fino ad ora, tuttavia, comporterebbe errori molto grandi e quindi è stato molto difficile prevederne l'efficienza.

La nuova comprensione delineata nel documento e stime più accurate della conduttività termica, insieme ai dati sulla conducibilità elettrica, consentirà agli scienziati di calcolare la "cifra di merito" dei termoelettrici, e fornire una stima della loro efficienza. Armati di questa informazione fondamentale, i ricercatori saranno in grado di vagliare i potenziali materiali prima con tecniche computazionali, accelerare il percorso di sviluppo di queste nuove tecnologie.