Un nuovo modo per trasformare il calore in elettricità: la chiave è nello spin degli elettroni

Convertire il calore in energia elettrica in modo più efficiente: è questa la promessa di un nuovo studio che propone un approccio radicalmente diverso per potenziare la termoelettricità nei nanomateriali. La ricerca, intitolata “Enhanced thermoelectricity in nanowires with inhomogeneous helical states”, è stata pubblicata su Physical Review Research dell’American Physical Society e nasce dalla collaborazione tra il Politecnico, l’Istituto Nanoscienze del CNR e il NEST della Scuola Normale Superiore di Pisa.

Il lavoro è stato finanziato dal progetto PRIN 2022 “Non-equilibrium coherent thermal effects in quantum systems” (NEThEQS), e svolto dal gruppo di ricerca composto da Zahra Aslani, Fabio Taddei e Alessandro Braggio (NEST, CNR NANO e Scuola Normale Superiore di Pisa) coordinato dal professor Fabrizio Dolcini del Dipartimento Scienza Applicata e Tecnologia-DISAT.

La termoelettricità è il fenomeno che permette di convertire direttamente una differenza di temperatura in elettricità. In pratica, consente di trasformare il calore disperso, ad esempio quello prodotto dai dispositivi elettronici, in energia riutilizzabile. È una sfida cruciale sia per migliorare l’efficienza energetica a temperatura ambiente sia per gestire il calore nelle tecnologie quantistiche, dove il controllo termico è estremamente delicato, soprattutto a temperature molto basse.

Tradizionalmente, per aumentare l’efficienza dei materiali termoelettrici si sfrutta il cosiddetto confinamento quantistico: riducendo le dimensioni del sistema a scala nanometrica, si modificano le proprietà elettroniche in modo da favorire la conversione del calore in elettricità.

Ma questo nuovo studio propone un’alternativa: il gruppo di ricerca guidato dal professor Dolcini suggerisce di sfruttare le proprietà dello spin degli elettroni nei nanofili a semiconduttore. Gli elettroni sono sì dei portatori di carica elettrica, ma possiedono anche uno spin, una caratteristica delle particelle quantistiche che si può visualizzare come una sorta di “rotazione attorno ad un’asse interna alla particella”. Essa può avvenire in senso “anti-orario” (spin up) o in senso “orario” (spin down). In un nanofilo a semiconduttore, che è un filo 1000 volte più sottile di un capello composto da materiale semiconduttore, gli elettroni hanno due proprietà peculiari. La prima è che, quando un debole campo magnetico viene applicato lungo l’asse del nanofilo, essi diventano “elicali”, ossia gli elettroni con spin opposto si muovono necessariamente in direzioni opposte lungo il filo. Il secondo aspetto interessante è che, tramite un voltaggio elettrico applicato ad un certo segmento del nanofilo, è possibile controllare l’elicità degli elettroni in tale segmento, ossia è possibile determinare se gli elettroni che in quel segmento si propagano a destra (elicità ‘+’) oppure a sinistra (elicità ‘-‘).

L’idea chiave è infatti questa: invece di sfruttare il confinamento del materiale, che agisce sulla carica elettrica degli elettroni, si interviene sulle proprietà del loro spin. Applicando due voltaggi diversi a due segmenti diversi del nanofilo, si crea una configurazione in cui gli elettroni hanno elicità opposte, “+ / -”. In questo modo i ricercatori prevedono un significativo miglioramento delle prestazioni termoelettriche.

Oltre a suggerire strategie innovative per rendere più efficienti i materiali termoelettrici, i risultati potrebbero aprire la strada allo sviluppo di nuovi sensori basati sullo spin, di dispositivi per la raccolta del calore su scala nanometrica e di sistemi avanzati per la gestione del calore a temperature criogeniche, cioè temperature estremamente basse, prossime allo zero assoluto.

Quest’ultimo aspetto è particolarmente rilevante per le tecnologie quantistiche emergenti, dove il controllo termico è essenziale per garantire stabilità e prestazioni.

“L’idea si basa su alcuni risultati precedentemente ottenuti nel nostro gruppo di ricerca di Nanophysics and Quantum Systems al Politecnico sul cosiddetto paradosso di Dirac, una configurazione ‘rompicapo’ che si verifica negli stati elettronici elicali dei nanofili in presenza di disomogeneità, dove apparentemente gli elettroni non possono essere né riflessi né trasmessi – dichiara il professor Dolcini – Discutendo con i nostri colleghi di Pisa sul modo in cui noi al Politecnico avevamo risolto il paradosso, è nata l'idea di sfruttarlo per potenziare la termoelettricità. Comprendere la fisica quantistica su scala nanometrica è fondamentale per ridurre gli sprechi energetici dei dispositivi, soprattutto in vista della crescente domanda di tecnologie basate sull'intelligenza artificiale”.