Les chercheurs du PRN MARVEL ont développé une nouvelle théorie microscopique capable de décrire le transport de chaleur de manière très générale, et s'applique aussi bien aux matériaux ordonnés ou désordonnés tels que les cristaux ou les verres et à tout ce qui se trouve entre les deux. Il s'agit non seulement d'une première significative - aucune équation de transport n'a pu jusqu'à présent rendre compte simultanément de ces deux régimes - cela montre aussi, étonnamment, que la chaleur peut tunneler de manière quantique, plutôt que de se diffuser comme une vibration atomique. La nouvelle équation permet également pour la première fois de prédire avec précision les performances des matériaux thermoélectriques. Avec ultrabas, comme du verre, conductivité thermique, ces matériaux sont très recherchés dans la recherche énergétique. Ils peuvent transformer la chaleur en électricité, ou utiliser l'électricité pour le refroidissement sans avoir besoin de pompes et de gaz nocifs pour l'environnement.

Les cristaux et les verres conduisent la chaleur de manières fondamentalement différentes. L'arrangement régulier des atomes dans un cristal signifie que la chaleur est conduite par la propagation d'ondes vibratoires - c'est ce qui se passe, par exemple, dans une puce de silicium dans un ordinateur.

Dans des verres, qui sont désordonnés à l'échelle atomique, la chaleur est transférée beaucoup plus lentement par un saut aléatoire de vibrations. En 1929, le physicien Rudolf Peierls a posé les bases pour décrire le transfert de chaleur, appliquer aux cristaux la théorie des transports encore récente de Boltzmann, et en dérivant la célèbre équation de transport pour les phonons, c'est depuis lors le pilier des théories microscopiques du transfert de chaleur.

Après plusieurs décennies, et soutenu par le domaine en développement rapide des simulations de dynamique moléculaire, Philip Allen et Joseph Feldman ont poursuivi en 1989 avec une équation applicable aux lunettes. Maintenant, Les scientifiques de MARVEL ont trouvé comment dériver une formulation plus générale qui décrit aussi bien les deux classes de matériaux, ainsi que tout le reste.

Dans l'article "Théorie unifiée du transport thermique dans les cristaux et les verres, " maintenant dans Physique de la nature , Doctorat EPFL étudiante Michèle Simoncelli, avec Nicola Marzari, directeur du PRN MARVEL, et professeur à l'Institut des Matériaux, et collègue Francesco Mauri à l'Université de Rome La Sapienza, dériver d'une théorie générale pour les systèmes quantiques dissipatifs l'équation microscopique qui prend en compte à la fois les caractéristiques particulaires et ondulatoires du transfert de chaleur.

Il s'avère que Peierls avait écarté un élément clé de la propagation de la chaleur, où les excitations vibrationnelles peuvent tunnel, comme quantique, d'un état à l'autre. Alors que de telles contributions tunnel sont négligeables dans les cristaux parfaits, ils deviennent plus pertinents à mesure qu'un système devient désordonné, et dans un verre, ils donnent lieu au formalisme d'Allen-Feldman. Mais la nouvelle équation est beaucoup plus générale et peut être appliquée avec la même précision à n'importe quel matériau, englobant l'émergence et la coexistence de toutes les excitations vibrationnelles connues. De manière critique, cette nouvelle théorie de la conduction thermique couvre des matériaux à la fois cristallins et vitreux - ceux-ci ont une importance technologique majeure, car ils peuvent être de très bons thermoélectriques, C'est, des matériaux capables de convertir la chaleur en électricité, ou l'électricité dans le refroidissement.

Les matériaux thermoélectriques ont une importance dans les applications énergétiques car ils génèrent de l'électricité à partir de la chaleur disponible telle que celle provenant des processus industriels, moteurs de voitures et de camions, ou du soleil. Disposer de matériaux thermoélectriques plus efficaces (environ trois fois la norme actuelle) changerait complètement toutes nos technologies de réfrigération et de climatisation car les matériaux thermoélectriques peuvent être utilisés à l'envers et exploiter l'électricité pour le refroidissement plutôt que de produire de l'électricité à partir de chaleur. Notamment, Albert Einstein a travaillé sur des réfrigérateurs pendant huit ans, de 1926 à 1934, et au sommet de ses facultés intellectuelles, avec son élève Leó Szilárd, il a breveté un réfrigérateur sans pièces mobiles, comme cela se produirait dans un réfrigérateur thermoélectrique.

Créer de tels appareils, cependant, nécessite une compréhension approfondie de comment et dans quelle mesure la chaleur est conductrice. Et jusqu'à maintenant, la théorie et la modélisation ont eu un succès limité. Un bon thermoélectrique doit être un conducteur électrique, et donc assez cristallin, mais aussi un isolant thermique, et donc assez vitreux - il doit être capable de transporter et de condenser des charges positives et négatives sur deux côtés différents d'un appareil, créer un potentiel électrique. Essayer de traiter les thermoélectriques comme des cristaux ou des verres en termes d'équations de transport de chaleur disponibles jusqu'à présent entraînerait cependant de très grandes erreurs et il a donc été très difficile de prédire leur efficacité.

La nouvelle compréhension décrite dans le document et des estimations plus précises de la conductivité thermique, ainsi que des données sur la conductivité électrique, permettra aux scientifiques de calculer la "figure de mérite" de la thermoélectrique, et fournir une estimation de leur efficacité. Armé de cette information clé, les chercheurs pourront d'abord cribler les matériaux potentiels avec des techniques informatiques, accélérer la trajectoire de développement de ces nouvelles technologies.