Uno dei sogni dei fisici oggi è riuscire a recuperare l'elettricità dal calore dissipato. La chiave di ciò risiede probabilmente nei circuiti che contengono singole molecole. Invece di limitarsi alla conduttanza classica, la termopotenza può essere aumentata notevolmente dalle proprietà degli stati quantistici. Ma allora, quali stati quantistici offrono una buona efficienza? Quali caratteristiche sono desiderabili? La teoria offre spesso previsioni contrastanti. Sfortunatamente, gli esperimenti inoltre non hanno ancora fornito alcuna prova, poiché sono notoriamente difficili da configurare. Ma ora, ricercatori della Delft University of Technology (TU Delft) in collaborazione con UC Louvain, Università di Oxford, La Northwestern University e la Heriot-Watt University hanno fatto proprio questo. Hanno sondato sperimentalmente per la prima volta le proprietà termoelettriche dipendenti dal gate e dalla polarizzazione di una singola molecola. I risultati sono stati pubblicati in Nanotecnologia della natura .

La padronanza della termocorrente attraverso singole molecole è la chiave per raccoglitori di energia termoelettrica con efficienze senza precedenti. Questo è vero solo in teoria, anche se, perché fino ad ora non erano semplicemente possibili test sperimentali dettagliati:studiare le proprietà termoelettriche di una singola molecola è un compito difficile che richiede la possibilità di riscaldare con precisione un lato di una singola molecola mantenendo freddo l'altro lato. Richiede anche la capacità di misurare con precisione le correnti termoelettriche minute risultanti, che sono solo pochi fA-pA di dimensioni. Per di più, la sintonizzabilità dei parametri sperimentali come la distorsione della temperatura applicata alla singola molecola e il controllo del suo potenziale elettrochimico sono vitali per una comprensione approfondita della fisica sottostante della termoelettricità in tali oggetti delle dimensioni di un atomo.

Ipotesi di lunga data

In un nuovo documento, i ricercatori della TU Delft realizzano un esperimento così impegnativo. Impiegano una nuova metodologia che consente loro di studiare contemporaneamente le proprietà elettriche e termoelettriche di una singola molecola, e su un ampio regime di gate e di tensione di polarizzazione.

"I nostri esperimenti rivelano, per la prima volta, il ruolo dei gradi di libertà interni, come le vibrazioni molecolari o l'entropia di spin, sulle proprietà termoelettriche, " afferma l'ex ricercatore della TU Delft e assistente professore presso la UC Louvain Pascal Gehring. "Accedendo alla funzione di risposta termoelettrica, otteniamo una visione completa della funzione di trasmissione delle singole molecole, e quindi verificare le ipotesi di lunga data sull'interazione tra elettronica, gradi di libertà di spin e vibrazionali nell'elettronica molecolare".

Direzioni sintetiche

Le misure sono le prime nel loro genere. Svelano i diversi contributi dei diversi stati, e mostrare l'importanza dell'accoppiamento elettrone-vibrazione e dell'entropia di spin. Gehring:"Così convalidiamo le teorie su quali fattori influiscono in modo più cruciale sulle proprietà termoelettriche, e indicare le direzioni sintetiche per influenzare la conversione del calore in energia nelle singole molecole."

I risultati forniscono anche la prima implementazione realistica di un progetto molecolare. I ricercatori hanno scoperto che la risposta termoelettrica di una singola molecola è fortemente influenzata dalla sua entropia, o in altre parole, suo stato di disordine. Se l'entropia della molecola cambia molto quando vi si aggiunge un elettrone in più (perché, per esempio. il suo grado di libertà di spin cambia), si può ottenere un fattore di potenza termoelettrico potenziato. Così, l'ingegneria di singole molecole con entropie spaziali o di spin elevate sarebbe un nuovo modo promettente per progettare futuri generatori di energia termoelettrica per applicazioni di raccolta di energia.