Los investigadores de NCCR MARVEL han desarrollado una nueva teoría microscópica que es capaz de describir el transporte de calor de formas muy generales, y se aplica igualmente bien a materiales ordenados o desordenados como cristales o vasos y a cualquier cosa intermedia. Esta no es solo una novedad importante, hasta ahora ninguna ecuación de transporte ha sido capaz de explicar simultáneamente estos dos regímenes, sino que también muestra:asombrosamente, que el calor puede hacer un túnel de la mecánica cuántica, en lugar de difundirse como una vibración atómica. La nueva ecuación también permite la predicción precisa del rendimiento de los materiales termoeléctricos por primera vez. Con ultrabajo, similar al vidrio, conductividad térmica, estos materiales son muy buscados en la investigación energética. Pueden convertir el calor en electricidad, o utilizar electricidad para enfriar sin necesidad de bombas y gases nocivos para el medio ambiente.

Los cristales y los vasos conducen el calor de formas fundamentalmente diferentes. La disposición regular de los átomos en un cristal significa que el calor es conducido por la propagación de ondas vibratorias; esto es lo que sucede, por ejemplo, en un chip de silicio en una computadora.

En vasos que están desordenados hasta la escala atómica, el calor se transfiere mucho más lentamente mediante un salto aleatorio de vibraciones. En 1929, el físico Rudolf Peierls sentó las bases para describir la transferencia de calor, aplicando a los cristales la aún reciente teoría del transporte de Boltzmann, y derivar la célebre ecuación de transporte para fonones, ha sido el incondicional de las teorías microscópicas de la transferencia de calor desde entonces.

Después de muchas décadas, y reforzado por el campo de rápido desarrollo de las simulaciones de dinámica molecular, Philip Allen y Joseph Feldman siguieron en 1989 con una ecuación aplicable a las gafas. Ahora, Los científicos de MARVEL han descubierto cómo derivar una formulación más general que describa igualmente bien ambas clases de materiales, así como todo lo demás.

En el artículo "Teoría unificada del transporte térmico en cristales y vidrios, "fuera ahora en Física de la naturaleza , Doctorado en EPFL estudiante Michele Simoncelli, junto con Nicola Marzari, director de NCCR MARVEL, y profesor del Instituto de Materiales, y su colega Francesco Mauri en la Universidad de Roma La Sapienza, derivar de una teoría general para los sistemas cuánticos disipativos la ecuación microscópica que tiene en cuenta tanto las características de partículas como las onduladas de la transferencia de calor.

Resulta que Peierls había descartado un componente clave en la propagación del calor, donde las excitaciones vibratorias pueden hacer un túnel, como cuántico, de un estado a otro. Si bien tales contribuciones de túnel son insignificantes en cristales perfectos, se vuelven más relevantes a medida que un sistema se desordena, y en un vaso, dan lugar al formalismo de Allen-Feldman. Pero la nueva ecuación es mucho más general y se puede aplicar con la misma precisión a cualquier material, que abarca el surgimiento y coexistencia de todas las excitaciones vibratorias conocidas. Críticamente, esta nueva teoría de la conducción de calor cubre materiales que son tanto cristalinos como cristalinos; estos tienen una gran importancia tecnológica, porque pueden ser muy buenas termoeléctricas, es decir, materiales que pueden convertir el calor en electricidad, o electricidad en refrigeración.

Los materiales termoeléctricos tienen importancia en las aplicaciones energéticas porque generan electricidad a partir del calor disponible, como el que proviene de los procesos industriales. motores de automóviles y camiones, o del sol. Tener materiales termoeléctricos que son más eficientes (alrededor de tres veces el estándar actual) cambiaría por completo todas nuestras tecnologías de refrigeración y aire acondicionado porque los materiales termoeléctricos se pueden usar a la inversa y explotar la electricidad para enfriar en lugar de producir electricidad a partir del calor. Notablemente, Albert Einstein trabajó en refrigeradores durante ocho años, de 1926 a 1934, y en la cúspide de sus poderes intelectuales, junto a su alumno Leó Szilárd, patentó un frigorífico sin partes móviles, como sucedería en una nevera termoeléctrica.

Creando tales dispositivos, sin embargo, requiere un conocimiento profundo de cómo y en qué medida se conduce el calor. Y hasta ahora la teoría y el modelado han tenido un éxito limitado. Una buena termoeléctrica debe ser un conductor eléctrico, y por lo tanto bastante cristalino, sino también un aislante térmico, y, por lo tanto, bastante vidrioso:debe poder transportar y condensar cargas positivas y negativas en dos lados diferentes de un dispositivo, creando un potencial eléctrico. Sin embargo, tratar de tratar los termoeléctricos como cristales o vidrios en términos de las ecuaciones de transporte de calor disponibles hasta ahora daría lugar a errores muy grandes y, por lo tanto, ha sido muy difícil predecir su eficiencia.

La nueva comprensión descrita en el documento y estimaciones más precisas de la conductividad térmica, junto con datos sobre la conductividad eléctrica, permitirá a los científicos calcular la "cifra de mérito" de la termoeléctrica, y proporcionar una estimación de su eficiencia. Armados con esta pieza clave de información, Los investigadores podrán seleccionar materiales potenciales primero con técnicas computacionales, acelerando el camino del desarrollo de estas nuevas tecnologías.