Физик Андрей Прокофьев и его коллеги из Венского технического университета обнаружили, что некоторые термоэлектрики (вещества, преобразующие теплоту в электричество) могут быть вдвое более эффективными, если в их кристаллической решетке присутствуют захваченные атомы редкоземельных металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials, кратко его содержание приводится в пресс-релизе университета.
В качестве перспективных термоэлектриков ученые рассматривали клатраты — вещества, способные захватывать чужеродные атомы и молекулы внутри полостей своей кристаллической решетки. Клатраты обладают одним из важных для термоэлектрика свойств — они плохо проводят тепло. Электрические же свойства этих веществ во многом зависят от того, какие атомы заключены в их полостях.
Используя особую зеркальную печь, ученым удалось впервые поймать в полости, образованные барием, кремнием и золотом атомы церия, которые обладают сильными магнитными свойствами. По словам авторов, при этом между захваченными атомами и их окружением возникли квантовые спиновые взаимодействия, подобные тем, что ранее были описаны для объяснения эффекта Кондо. В получившемся веществе такие взаимодействия привели к тому, что термоэлектрическая эффективность клатрата увеличилась почти вдвое.
Термоэлектрики имеют важное значение в технике, так как их использование позволяет перевести тепловые потери практически любых механизмов в электричество. Кроме того, термоэлектрики используются для производства электричества в автономных атомных батареях, установленных, например, на марсоходе «Кьюриосити».
Для наиболее эффективной работы термоэлектрики должны обладать необычными свойствами: максимальной электропроводностью при минимальной теплопроводности. Недавно увеличить эффективность классического термоэлектрика, теллурида свинца, удалось за счет того, что ему была придана особая микроструктура, которая снизила теплопроводность вещества и при этом не повлияла на его сопротивление.