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Vibrazioni quantiche correlate a calore ed elettricità

Gli scienziati hanno sviluppato complessi algoritmi che descrivono le vibrazioni quantiche nei materiali superconduttori e la loro relazione con la generazione di tensione. Il fenomeno trova applicazione diretta nel campo della refrigerazione e della produzione di energia verde.
Vibrazioni quantiche correlate a calore ed elettricità
I materiali termoelettrici stanno guadagnando sempre più attenzione per il loro potenziale nella generazione di energia verde, refrigerazione ecologica e raffreddamento localizzato ("spot cooling") efficiente dei dispositivi elettronici (aumentando la velocità di calcolo). Questi materiali producono una differenza di tensione in risposta a una differenza di temperatura e viceversa. Alcune delle loro nuove risposte termiche sono dovute all'accoppiamento tra elettroni e fononi. I fononi sono quantici di energia vibrazionale generalmente presenti in un reticolo cristallino o un solido. Come le loro controparti elettromagnetiche (fotoni), questi fononi o vibrazioni hanno frequenze e lunghezze d'onda, quindi generano spettri associati.

Gli scienziati hanno sviluppato nuove descrizioni matematiche di comportamenti fononici nell'ambito del progetto NON ADIABATIC PHONON ("Non adiabatic vibrational spectra from first principles"), finanziato dall'UE. In particolare, hanno applicato due recenti metodologie per cercare di scoprire il contributo di effetti non adiabatici e armonici agli spettri fononici nei materiali termoelettrici. Il primo fa riferimento alle condizioni con le quali il calore entra o esce dal sistema. Il secondo fa riferimento alle vibrazioni e alle deviazioni a multipli della frequenza armonica o naturale in aggiunta alla frequenza naturale stessa.

Il team ha sviluppato un'interfaccia informatica per un'implementazione fononica autoconsistente che estrae le forze ioniche per calcolare la dipendenza di temperatura degli spettri fononici. Gli scienziati hanno poi applicato il codice al tellururo di piombo (PbTe), un promettente materiale semiconduttore termoelettrico la cui risposta termoelettrica non è ancora stata descritta completamente. Si prevede che la versione del codice per i calcoli della dispersione fononica non adiabatica ed effetti termici anarmonici in un materiale venga completata nell'arco dei prossimi mesi. Nel corso del processo, i ricercatori hanno sviluppato legami solidi e una rete di collaborazione con altre istituzioni in Europa per generare proposte di valore congiunte per il futuro.

I materiali termoelettrici formano l'oggetto di indagini approfondite per applicazioni che si estendono da edifici su larga scala a singoli componenti microelettronici su piccola scala. La caratterizzazione delle loro proprietà di risposta è fondamentale per compiere progressi nel campo al fine di ottimizzare efficienza dei costi e sostenibilità. Il progetto NON ADIABATIC PHONON ha contribuito in maniera determinante in questo senso con metodi di modellazione del codice e metodi numerici per descrivere nuovi comportamenti.

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