Физики из Университета Пердью впервые проанализировали супердиффузию Леви в реальном эксперименте по переносу тепла в полупроводниках. Исследование показало, что внесение наночастиц арсенида эрбия в структуру исходного материала может уменьшить его теплопроводность и увеличить термоэлектрическую эффективность в два раза. Подробно о результатах исследования будет доложено на декабрьском семинаре Materials Research Society, работа опубликована в журнале NanoLetters.

Микрофотография исследованного материала. Изображение: Amr M.S. Mohammed et al. / Nano Lett., 2015

Супердиффузия Леви представляет собой один из механизмов диффузии — проникновения одного вещества в другое. Обычная диффузия предполагает броуновское движение, в котором можно ввести длину свободного пробега — среднее расстояние, преодолеваемое одной частицей до столкновения с другими. В движении Леви же возможны так называемые «полеты Леви», создающие разрывы в траектории частиц. Обычно они ассоциируются с некими пустотами, существующими в одном из веществ на всех масштабах размеров — иначе говоря, супердиффузия Леви может происходить в фрактальных (самоподобных) средах.

Типичные траектории диффузии (сверху) и супердиффузии (снизу). Разрывы в траекториях — полеты Леви. Изображение: В.В. Учайкин, «Эта странная кинетика» / РФФИ

Авторы работы проводили анализ теплопереноса в полупроводнике InGaAlAs — смешанном арсениде индия, галлия и алюминия, — в который были включены наночастицы арсенида эрбия. В роли переносчиков тепла в нем выступают фононы, квазичастицы, представляющие собой колебания в кристаллической решетке. 

Физикам удалось установить, что с увеличением концентрации наночастиц в образце уменьшается теплопроводность — вплоть до трех раз. При этом оказывается сильно подавлен обычный режим диффузии. В результате термоэлектрическая эффективность возросла в два раза. 

Термоэлектриками называются материалы, способные преобразовывать тепло в электричество. Ключевым параметром для термоэлектриков является коэффициент эффективности, зависящий прямо пропорционально от электропроводности, температуры и коэффициента Зеебека, но обратно пропорционально от теплопроводности материала. Для увеличения эффективности ученые, как правило, пытаются уменьшить теплопроводность делая материал стеклоподобным (неупорядоченным) для фононов. 

Большинство современных генераторов и двигателей (например, автомобильные двигатели) обладают коэффициентом полезного действия менее 50 процентов. Остальная энергия, помимо полезной работы, рассеивается, как правило, в виде тепла. Его можно собирать с помощью термоэлектриков и напрямую превращать в электричество.

Автор: Владимир Королёв