Ricerca, La termoelettricità è possibile anche in materiali nei quali si riteneva non potesse esistere

Ricercatori dell'Istituto nanoscienze del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Nano) hanno dimostrato che è possibile realizzare un nuovo tipo di termoelettricità, ovvero la conversione di una differenza di temperatura in un segnale elettrico, in materiali che si pensava non potessero averla per natura. Lo studio pubblicato su 'Physical Review Letters'. 

La termoelettricità è un ramo della fisica che riunisce e studia i diversi fenomeni di conversione del calore in elettricità e viceversa che si verifica in particolar modo nei così detti “materiali termoelettrici” dove il fenomeno diventa apprezzabile e sfruttabile. Lo studio, condotto da Giampiero Marchegiani, Alessandro Braggio e Francesco Giazotto presso il laboratorio NEST di Cnr-Nano e Scuola Normale Superiore, ha dimostrato invece che è possibile realizzare un nuovo tipo di termoelettricità, in materiali che si pensava non potessero averla per natura.

Nei sistemi termoelettrici la differenza di temperatura viene convertita in elettricità: "in altre parole il sistema si comporta come una batteria grazie alla differenza di temperatura applicata", afferma Giampiero Marchegiani. "Su scala microscopica il gradiente di temperature determina un flusso di cariche elettriche nel sistema che producono un potenziale elettrico, proprio come ai capi di una batteria". "Per ottenere termoelettricità finora si riteneva necessario che il materiale avesse un qualche tipo di portatore di carica dominante", prosegue il ricercatore, "siano essi elettroni, di carica negativa, oppure le buche, di carica positiva. Il nostro studio mostra che anche in sistemi dove non si presenta uno sbilanciamento di carica intrinseco, come ad esempio nei superconduttori, in presenza di gradienti termici sufficientemente intensi è possibile avere comunque termoelettricità".

I ricercatori hanno considerato un sistema composto da due superconduttori messi in contatto attraverso una barriera isolante, la cosiddetta giunzione tunnel superconduttiva e prospettato due possibili applicazioni: una memoria termoelettrica e un oscillatore elettrico alimentati solo dal gradiente termico. "Ma il campo di applicazione può ragionevolmente essere molto più vasto, poichè l’utilizzo di nuovi sistemi termoelettrici basati sul meccanismo da noi discusso potrebbe aumentare l'efficienza complessiva dei sistemi recuperando il calore disperso e trasformandolo in energia utile", spiega Alessandro Braggio. Altre applicazioni possono essere immaginate nel campo delle tecnologie quantistiche che solitamente utilizzano come elemento fondamentale la giunzione superconduttiva indagata nello studio, oppure nelle scienze dei materiali dove il meccanismo identificato può essere testato per materiali con simmetria tra elettroni e buca, come il grafene. Infine questa tecnologia potrebbe essere utilizzata per sviluppare detector ultrasensibili per l'astrofisica e la comunicazione quantistica.

Il gruppo di ricerca in tecnologie quantistiche basate su sistemi superconduttivi coordinato da Francesco Giazotto di Cnr-Nano è un'eccellenza a livello internazionale. "Il prossimo passo dello studio sarà realizzare una prima dimostrazione sperimentale dei questo effetto in condizioni controllate", commenta Francesco Giazotto, "nel contempo indagheremo da un punto di vista teorico tale meccanismo in nuovi materiali in maniera da estendere il dominio di applicabilità di quanto dimostrato fino a ora".

Questo tipo di termoelettricità potrebbe essere sfruttata nella realizzazione di una memoria termoelettrica e un oscillatore elettrico alimentati solo da una differenza di temperatura ma anche nelle cosiddette tecnologie quantistiche, che spaziano dalle comunicazioni sicure, ai computer ultrapotenti.


Nonlinear Thermoelectricity with Electron-Hole Symmetric Systems, G. Marchegiani, A. Braggio, and F. Giazotto, Phys. Rev. Lett. 124, 106801 – Published 10 March 2020.  doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.106801