全世界使用的能源中有三分之二以上最終以“廢熱”的形式排出。麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系(NSE)的科學(xué)家聲稱，在那堆被浪費的能量中，蘊藏著巨大且尚未開發(fā)的機會。根據(jù)最近一期《自然通訊》的報道，由NSE量子物質(zhì)小組負責(zé)人李明達助理教授領(lǐng)導(dǎo)的MIT小組已經(jīng)在熱電發(fā)電領(lǐng)域取得了突破，該技術(shù)提供了一種直接方法來轉(zhuǎn)換包括廢熱在內(nèi)的熱能，變成電力。

甲溫度梯度，或差，內(nèi)的諸如金屬或半導(dǎo)體材料可以通過被稱為塞貝克效應(yīng)的現(xiàn)象，產(chǎn)生一個電壓，其驅(qū)動電流。NSE研究科學(xué)家Fei Han解釋說：“對于許多材料而言，熱電效應(yīng)太低而無法使用。” “我們的目標是找到轉(zhuǎn)換效率足夠高的材料，以使熱電發(fā)電更加實用。”

熱電能量轉(zhuǎn)換效率是正比于材料的溫度，電傳導(dǎo)性，和一種叫做“熱電動勢”的平方; 它與熱導(dǎo)率成反比。由于效率隨溫度上升，因此當今使用的大多數(shù)熱電材料的工作溫度范圍為攝氏數(shù)百度。“但是在我們的生活中，我們周圍的大多數(shù)事物都是在室溫下進行的，” Han說。“這就是為什么我們試圖發(fā)現(xiàn)在室溫或低于室溫下有效工作的新材料的原因。”

Li指出，在轉(zhuǎn)換效率方面，“盡管效率與熱電的平方成正比，但大多數(shù)注意力都集中在增加電導(dǎo)率和降低熱導(dǎo)率上，而不是專注于熱電。” 熱能也稱為塞貝克系數(shù)，定義為電壓除以材料上的溫度差。李說：“當火電上升時，電導(dǎo)率下降，這可能會導(dǎo)致棘手的平衡。” 但是他的小組表明，一種新的機制可以同時優(yōu)化電導(dǎo)率和熱功率，從而有助于提高效率。

李的實驗研究受到麻省理工學(xué)院物理學(xué)副教授梁復(fù)，他的前博士后布萊恩·斯金納和前博士學(xué)位所發(fā)表的理論論文的指導(dǎo)。學(xué)生Vladsyslav Kozii，他們?nèi)紴椤蹲匀煌ㄓ崱氛撐淖龀隽素暙I。在早期的工作中，傅和他的同事認為，強磁場會增強所謂的拓撲Weyl半金屬的熱電效應(yīng)。

這種材料具有金屬和半導(dǎo)體的特性，但也具有特殊的功能。拓撲Weyl半金屬具有奇異點，例如在頭皮頂部發(fā)現(xiàn)的發(fā)螺紋(或牛鞭)，這些奇異的點賦予其不尋常的電子特性。其他特性來自晶體結(jié)構(gòu)本身的對稱性。傅和他的同事們預(yù)測的熱電收益將來自新穎的“熱電量子霍爾效應(yīng)”。

NSE博士解釋說：“當磁場足夠高時，會引起這種效應(yīng)。” 學(xué)生Nina Andrejevic，“熱電霍爾電導(dǎo)率已接近通用值，即使磁場發(fā)生變化，此后霍爾電導(dǎo)率的值也不會改變。” 她補充說，這種感應(yīng)出的熱電霍爾電導(dǎo)率將“是熱電的主要貢獻者，也是總功率因數(shù)的主要貢獻者”。

Li和他的團隊準備了一種拓撲Weyl半金屬磷化鉭(TaP)的樣品，這些樣品具有微調(diào)的特性，以檢驗Fu的假設(shè)。NSE研究生Thanh Nguyen評論說，合成這些TaP晶體是一項艱巨的任務(wù)，“涉及一些反復(fù)試驗，因為它是一種新材料(僅自2015年以來才知道)，因此配方尚未完全優(yōu)化。您可以自行修改鉭和磷的相對含量，并調(diào)節(jié)烤箱溫度，以及“烘烤”成分的時間，以達到所需的載流子密度水平;晶體尺寸也必須足夠大以便于高精度測量。” 在該過程結(jié)束時，他們將生成的TaP晶體(切成細條)加熱了一端，然后，

這項研究得出了幾個重要但相關(guān)的結(jié)果：麻省理工學(xué)院的研究人員是第一個證明在Weyl半金屬中確實可以引起熱電量子霍爾效應(yīng)的研究。此外，由于這種效果，他們獲得了很高的熱電價值。此外，他們的TaP晶體實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的高“功率因數(shù)”(電導(dǎo)率和熱功率平方的乘積)，這是熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵組成部分。