NCCR MARVEL -forskare har utvecklat en ny mikroskopisk teori som kan beskriva värmetransport på mycket generella sätt, och gäller lika bra för beställda eller störda material som kristaller eller glasögon och allt däremellan. Detta är inte bara en viktig första - ingen transportekvation har hittills kunnat redogöra för dessa två regimer - det visar också, förvånande, den värmen kan tunnel kvant-mekaniskt, snarare än att diffundera bort som en atomvibration. Den nya ekvationen möjliggör också en korrekt förutsägelse av prestanda för termoelektriska material för första gången. Med ultralåg, glasliknande, värmeledningsförmåga, sådana material är mycket eftertraktade inom energiforskning. De kan förvandla värme till el, eller använda el för kylning utan behov av pumpar och miljöskadliga gaser.

Kristaller och glasögon leder värme på fundamentalt olika sätt. Det regelbundna arrangemanget av atomer i en kristall innebär att värme leds av spridning av vibrationsvågor - det här är vad som händer, till exempel, i ett kiselchip i en dator.

I glasögon, som är störda ner till atomskala, värme överförs mycket långsammare genom en slumpmässig hoppning av vibrationer. År 1929, fysikern Rudolf Peierls lade grunden för att beskriva värmeöverföring, tillämpa på kristaller den fortfarande senaste transportteorin om Boltzmann, och härledde den berömda transportekvationen för fononer - det har varit en stalwart av mikroskopiska teorier om värmeöverföring sedan dess.

Efter många decennier, och förstärks av det snabbt utvecklande området för molekylära dynamiksimuleringar, Philip Allen och Joseph Feldman följde upp 1989 med en ekvation som gäller för glasögon. Nu, MARVEL -forskare har kommit fram till hur man får en mer allmän formulering som beskriver lika bra båda materialklasserna, liksom allt däremellan.

I tidningen "Enad teori om termisk transport i kristaller och glasögon, "ute nu in Naturfysik , EPFL Ph.D. student Michele Simoncelli, tillsammans med Nicola Marzari, direktör för NCCR MARVEL, och professor vid Institute of Materials, och kollegan Francesco Mauri vid universitetet i Rom La Sapienza, härleda från en allmän teori för dissipativa kvantsystem den mikroskopiska ekvationen som tar hänsyn till både de partikelliknande och de vågliknande egenskaperna vid värmeöverföring.

Det visar sig att Peierls hade kasserat en nyckelkomponent i värmeutbredning, där vibrationella excitationer kan tunnla, kvantliknande, från en stat till en annan. Även om sådana tunnelbidrag är försumbara i perfekta kristaller, de blir mer relevanta när ett system blir oroligt, och i ett glas, de ger upphov till Allen-Feldman-formalismen. Men den nya ekvationen är mycket mer allmän och kan appliceras med lika noggrannhet på vilket material som helst, som omfattar uppkomsten och samexistensen av alla kända vibrationsceller. Kritiskt, denna nya teori om värmeledning täcker material som är både kristallliknande och glasliknande-dessa har stor teknisk betydelse, eftersom de kan vara mycket bra termoelektriska, det är, material som kan omvandla värme till el, eller el till kylning.

Termoelektriska material har betydelse i energitillämpningar eftersom de genererar elektricitet från tillgänglig värme, såsom den som kommer från industriella processer, bil- och lastbilsmotorer, eller från solen. Att ha termoelektriska material som är mer effektiva (cirka tre gånger den nuvarande standarden) skulle helt förändra alla våra kyl- och luftkonditioneringstekniker eftersom termoelektriska material kan användas i omvänd och utnyttja el för kylning snarare än att producera el från värme. I synnerhet, Albert Einstein arbetade på kylskåp i åtta år, från 1926 till 1934, och på höjden av hans intellektuella krafter, tillsammans med sin elev Leó Szilárd, han patenterade ett kylskåp utan rörliga delar, som skulle hända i ett termoelektriskt kylskåp.

Skapa sådana enheter, dock, kräver en grundlig förståelse för hur och i vilken utsträckning värme leder. Och tills nu, teori och modellering har haft begränsad framgång. En bra termoelektrisk måste vara en elektrisk ledare, och alltså ganska kristallint, men också en värmeisolator, och därmed ganska glasartat - det måste kunna bära och kondensera positiva och negativa laddningar på två olika sidor av en enhet, skapa en elektrisk potential. Att försöka behandla termoelektriska antingen som kristaller eller glasögon när det gäller de värmetransportekvationer som hittills finns tillgängliga skulle dock resultera i mycket stora fel och därför har det varit mycket svårt att förutsäga deras effektivitet.

Den nya förståelse som beskrivs i tidningen och mer exakta uppskattningar av värmeledningsförmåga, tillsammans med data om elektrisk konduktivitet, kommer att tillåta forskare att beräkna termens "förtjänst". och ge en uppskattning av deras effektivitet. Beväpnad med denna viktiga information, forskare kommer att kunna screena potentiellt material först med beräkningsteknik, påskynda utvecklingsvägen för dessa nya tekniker.