Ny förståelsen av nano-brusets gränser

Bilden illustrerar en liten värmemotor i nanoskala som kopplar samman varma och kalla sidor. Temperaturskillnaden driver ström och genererar effekt, men både ström och effekt skapar brus och förhindrar exakt och pålitlig prestanda. Chalmersforskarna har lyckats påvisa en avvägningsrelation, en trade-off, mellan brus och effekt från dessa nanoskalamotorer, vilket banar väg för framtida termoelektriska enheter i nanoskala med hög precision. Illustration: Carina Schultz, Chalmers.

Nanoteknologin går snabbt framåt och är föremål för stort intresse på bred front inom industrin, med tillämpningar inom kommunikation och energiproduktion. På nanonivå, som motsvarar en miljondel av en millimeter, råder partiklar under kvantmekaniska lagar. Genom att dra nytta av dessa egenskaper kan material göras mer strömledande, magnetiska eller mer energieffektiva.

- Resultaten ser vi redan idag. Nano-enheter är viktiga ingredienser i utvecklingen av snabbare teknik och nanostrukturer gör material som används för energiproduktion mer effektiva, säger Janine Splettstösser, professor i tillämpad kvantfysik på Chalmers.

Enheter små som mänskliga celler skapar elektroniska och termoelektriska egenskaper

För att kunna manipulera materialens laddning och energiströmmar ner på atomnivå använder forskarna så kallade nanoskale-enheter, små system mindre än mänskliga celler. Dessa nanoelektriska system kan liknas vid pyttesmå motorer byggda för att utföra specifika uppgifter på nanonivå och utnyttja de kvantmekaniska egenskaperna som framträder där.

- Enheter byggda i nanoskala kan ha helt nya och önskvärda egenskaper. Dessa enheter är hundra till tiotusen gånger mindre än en mänsklig cell och kan möjliggöra mycket effektiva energiomvandlingsprocesser, säger Ludovico Tesser, doktorand i tillämpad kvantfysik vid Chalmers.

Brus ett störande problem

Men för att ta den nanoteknologiska forskningen framåt behöver forskarna lösa en stor utmaning. Elektriska laddningsfluktuationer och termiska effekter som uppstår i enheterna orsakar störande brus. Bruset stör enheterna som får det svårt att utföra uppgifter på ett tillräckligt precist och tillförlitligt vis. Än så länge är har forskarna inte lyckats förstå hur bruset kan elimineras utan att påverka energiomvandlingen, och förståelsen för brusets mekanismer är hittills relativt låg. Men nu har ett forskarteam vid Chalmers lyckats ta ett viktigt steg i rätt riktning.

I sin studie, publicerad i Physical Review Letters, har Chalmers-teamet tittat närmare på så kallade termoelektriska värmemotorer på nanoskalan, en slags enhet utformad för att kontrollera och omvandla spillvärme till elektrisk kraft.

- All elektronik avger värme och på senare tid har det gjorts många försök att förstå hur denna värme på nanonivå kan omvandlas till användbar energi. Små termoelektriska värmemotorer utnyttjar de kvantmekaniska egenskaperna och de icke-termiska effekterna och kan, likt små kraftverk, omvandla värmen till elektrisk kraft i stället för att låta den gå till spillo, säger Janine Splettstoesser.

Balans mellan brus och kraft

Men de termoelektriska värmemotorerna fungerar dock bäst när de utsätts för temperaturskillnader. Dessa temperaturvariationer gör det redan utmanande bruset som forskarna står inför ännu svårare att studera och förstå. Men nu har Chalmers-forskarna lyckats belysa en kritisk avvägning, en trade-off, mellan brus och kraft i termoelektriska värmemotorer.

- Vi kan bevisa att det finns en grundläggande begränsning för bruset som direkt påverkar "motorns" prestanda. Vi kan till exempel inte bara se att om du vill att enheten ska producera mycket kraft, måste du tolerera högre brusnivåer, utan vi kan också se exakt hur mycket. Vi kan visa på ett avvägningsförhållande, det vill säga hur mycket brus man måste tåla för att utvinna en specifik mängd kraft från dessa nanoskaliga motorer. Vi hoppas att dessa resultat kan fungera som en riktlinje inom området framöver i framtagandet av nanoskaliga termoelektriska enheter med hög precision, säger Ludovico Tesser.

Läs mer om studien "Out-of-Equilibrium Fluctuation-Dissipation Bounds".

Finansiering:

Forskningsprojektet har finansierats av Europeiska forskningsrådet (ERC) under Europeiska unionens Horizon Europe forsknings- och innovationsprogram (101088169/NanoRecycle), samt genom Wallenberg Academy Fellowship.

Taggar:

Uppdaterad 17 september 2024, 07:12Publicerad 17 september 2024, 07:00

Tyck till om sidan

Aktuellt