Nanomittakaavan lämpösähköisistä ilmiöistä

Ajan suhteen tapahtuvan kvanttikuljetuksen ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää seuraavan sukupolven kvanttiteknologioiden kehittämiselle, erityisesti nano- ja molekyyliliitoksissa, jotka altistuvat ajasta riippuville häiriöille.

Perinteiset kvanttikuljetuksen tasapainotilan lähestymistavat eivät ole suunniteltu kuvaamaan transienttidynamiikkaa, jota tarvitaan elektronisen käyttäytymisen hallitsemiseksi ultranopeilla aikaskaaloilla.

Jyväskylän yliopisto on ollut mukana kehittämässä uutta teoreettista lähestymistapaa, joka mahdollistaa yksittäisten molekyylien muodostamien nanoliitosten lämpötilaerojen ja sähkövirtojen tarkan simuloinnin.

Uusi kvanttikuljetusteoria paljastaa, miten femtosekuntien aikaskaalan lämpösähköiset vaihtelut vaikuttavat energian hallintaan nanomittakaavassa.

- Elektroniikassa lämpösähköilmiö on erityisen kiinnostava, sillä komponentit tuottavat jatkuvasti hukkalämpöä. Jos tuo lämpö saataisiin muutettua takaisin hyödylliseksi sähköksi ja samalla hallittua kuumenemista, voisi laitteista tulla selvästi energiatehokkaampia, selventää yliopistonlehtori Riku Tuovinen Jyväskylän yliopistosta.

Teoriasta käytäntöön

Jyväskylän yliopiston ja Wroclawin tiede- ja teknologiayliopiston tutkijoiden yhteistyö paljastaa, kuinka yksittäisten molekyylien muodostamissa nanoliitoksissa lämpötilaerot ja sähkövirrat käyttäytyvät, kun molekyylin elektronit eivät ole tasapainotilassa vaan liikkuvat edestakaisin.

Tätä varten kehitettiin uusi lähestymistapa ajasta riippuvaan kvanttikuljetusteoriaan. Sen avulla voidaan tarkastella nanomittakaavan rakenteita, joissa yksinkertaiset mallit eivät riitä kuvaamaan monisäikeisiä kvantti-ilmiöitä. Kehitetty teoria on jo viety käytäntöön CHEERS-laskentaohjelmistossa, joka mahdollistaa nanomittakaavan lämpösähköisten prosessien tarkan simuloinnin.

- Teoreettiset tuloksemme osoittavat, että molekyyliliitoksissa esiintyy ultralyhyitä ajanjaksoja, jolloin lämpösähköisen muunnoksen hyötysuhde voi ylittää tasapainotilassa saavutettavan tason, kertoo Tuovinen. Tällaiset lyhytaikaiset tehokkuuspiikit osoittavat, että lämpösähköisen ilmiön dynaaminen tarkastelu on ratkaisevan tärkeää sekä nanomittakaavan prosessien ymmärtämisessä että tulevien kvantti- ja energiateknologioiden kehittämisessä, hän jatkaa.

Nanotason energianhallinta vaatii kvanttidynamiikan syvällistä ymmärrystä

Tutkimus osoittaa, että molekyyliliitoksissa tapahtuvat femtosekuntien aikaskaalan lämpösähköiset vaihtelut voivat avata uusia mahdollisuuksia energian hallintaan nanomittakaavan komponenteissa.

Tutkimus korostaa, että ajasta riippuvien kvantti-ilmiöiden ymmärtäminen on keskeistä, kun pyritään hyödyntämään nanomittakaavan rakenteissa tapahtuvaa lämmönsiirtoa.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttirajaus parantaa lämpösähköilmiötä