Quantenexperiment für thermoelektrische Materialien

Die Erzeugung von Elektrizit?t aus W?rme beinhaltet in der Regel das Verbrennen eines Brennstoffs, der eine Fl¨¹ssigkeit erhitzt, die wiederum eine mechanische Turbine antreibt, welche schliesslich elektrischen Strom generiert. Bei thermoelektrischen Materialien erfolgt der ganze Zyklus, der von einem Verbrennungsmotor geleistet wird, von Natur aus. Dieser Effekt ist jedoch schwach, und bei den bislang bekannten Materialien ist die Leistung thermoelektrischer Generatoren viel geringer als jene von Elektrokraftwerken.

Derzeit wird die Technologie haupts?chlich zum Antrieb von Raumsonden wie dem Mars-Rover Curiosity oder f¨¹r kleine Ger?te wie energieautarke Sensoren eingesetzt. Die Fachleute rechnen f¨¹r die Zukunft jedoch mit einer breiten Palette m?glicher Anwendungen. In einem Motor geht viel W?rme verloren. Automobilfirmen testen bereits verschiedene Systeme, um Energie aus den Abgasen zur¨¹ckzugewinnen, und rechnen mit Treibstoffersparnissen von 3 bis 5 Prozent. Andere Anwendungen k?nnten mit K?rperw?rme betriebene Mobiltelefone oder Uhren sein. Weil W?rme bei menschlichen T?tigkeiten gew?hnlich verlorengeht, w?re ein hocheffizientes thermoelektrisches Material eine wichtige Quelle erneuerbarer Energie.

Der thermoelektrische Material-Simulator steht an der ETH in einer Vakuumkammer aus Glas. Darin befindet sich ein Gas aus Lithiumatomen. Per Laser wird das Gas auf sehr niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt unter minus 273 Grad Celsius gek¨¹hlt. Unter diesen Bedingungen verhalten sich die Atome im Gas wie Elektronen in einem Festk?rper. Zur Simulation von Thermoelektrizit?t werden die Atome mit Laserstrahlen eingefangen. Diese schaffen eine r?umlich variierende Struktur, in der sich die Atome so bewegen wie Elektronen in einem Festk?rper.

Eine grosse ?berraschung

Das Verhalten komplexer Materialien mithilfe von Atomen zu simulieren, die von Lasern eingefangen werden, ist eine wohlerprobte Methode in Z¨¹rich. In den vergangenen zehn Jahren erforschte das Quantenoptik-Team der ETH Supraleiter und Magnete und sogar elektronische Bauelemente. Aber Tilman Esslinger, Professor f¨¹r Quantenoptik, rechnete nicht damit, dass ihr neues Experiment ein derart grosser Erfolg sein k?nnte. ?Mit einfachen Mitteln stellen wir Thermoelektrizit?t nach, die ebenso leistungsf?hig ist wie in nat¨¹rlichen Materialien?, erkl?rt er. ?Das war eine grosse ?berraschung.?

Obwohl es sich nach wie vor um Grundlagenforschung handelt, k?nnte das Experiment die Materialwissenschaften st?rker beeinflussen, als das Team anfangs glaubte. ?Unser Experiment k?nnte als eine Art Massstab dienen?, so Jean-Philippe Brantut, der seine vom Schweizerischen Nationalfonds finanzierte Forschung weiterf¨¹hren wird. In den n?chsten zwei Jahren wird das Team versuchen, das Ursprungsexperiment weiterzuentwickeln, um komplexere Systeme zu studieren. Doch bereits jetzt wirft die Kaltatom-Simulation ein neues Licht auf die Thermoelektrizit?t: Ein Vergleich zwischen Theorie und Experiment, der f¨¹r nat¨¹rliche Materialien aufgrund ihrer hohen Komplexit?t oft schwierig ist, kann nun an den Atomen pr?zise durchgef¨¹hrt werden. Sogar die Auswirkungen von Fehlern und St?rungen am Material wurden mit dem Kaltatom-Simulator erfolgreich erforscht.

Mit diesen neuen Erkenntnissen k?nnen die der Thermoelektrizit?t zugrunde liegenden Prozesse auf kontrollierte Art erforscht werden. Dies k?nnte k¨¹nftig der Nachbildung und der Entwicklung von thermoelektrischen Materialien dienen, insbesondere dort, wo Versuche mit nat¨¹rlichen Materialien noch einer theoretischen Interpretation bed¨¹rfen.