28.11.2021, 19:20
Исследователи из Японии демонстрируют беспрецедентно большую термопроводимость в монокристалле — она превышает максимальную проводимость на рынке в 200 раз, открывая двери для новых направлений исследований.
Akitoshi Nakano
Подобно тому, как разница напряжений вызывает электрический ток, его может вызвать и разница температур.
Мы знаем, что ток течет внутри металлического проводника при наличии разности напряжений на его концах. Однако это не единственный способ генерировать ток. Разница температур тоже может работать — это явление называется «эффект Зеебека».
Подобно концепции электрической проводимости, термоэлектричество управляется проводимостью Пельтье, которая связывает термоэлектрический ток с градиентом температуры. Однако, в отличие от своего электрического аналога, проводимость Пельтье менее изучена и понятна. Существует ли теоретический верхний предел того, насколько большой может быть проводимость Пельтье?
Почему это важно: учёные сообщили о наблюдении проводимости Пельтье в 100 А·см-1·К-1 при температуре 10 Кельвинов в кристалле Ta2PdSe6. Это самое большое значение проводимости Пельтье из когда-либо зарегистрированных для объемного твердого тела.
Что было сделано: команда подготовила высококачественные монокристаллы Ta2PdSe6 и охарактеризовала их химический состав с помощью сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и рентгеновской дифракции. Они измерили его электропроводность, термоЭДС и удельное сопротивление Холла и провели расчеты на основе двухкварковой модели с учетом электронов и дырок для объяснения полученных результатов.
Результаты. Они обнаружили, что в то время как другие термоэлектрические материалы достигают проводимости Пельтье порядка 1 А·см-1·К-1, а при дальнейшем снижении температуры результат ухудшается, Ta2PdSe6 демонстрирует быстрый рост проводимости ниже 100 Кельвинов, достигая значения на два порядка более высокого. Это позволяет предположить, что большая проводимость обусловлена низким остаточным сопротивлением. Моделирование же показало, что удивительное значение проводимости было вызвано высокой подвижностью дырок внутри кристалла.
Зачем это нужно? Ta2PdSe6 можно использовать в качестве источника тока для сверхпроводящего соленоида, изолированного в криогенном пространстве. Благодаря его высокой проводимости, кубический образец объемом 1 см3 смог бы обеспечить ток 100 Ампер для соленоида при разнице приложенных температур в 1 Кельвин. Кроме того, отсутствие внешних токоподводов сделало бы систему компактной и снизило бы затраты на охлаждение. К примеру, на основе такого соленоида можно было бы сделать недорогой и удобный аппарат МРТ.
Исследование опубликовано в Journal of Physics: Energy.
