Nanomittakaavan lämpösähköiset ilmiöt tuovat uutta näkökulmaa energianhallintaan

Lämpösähköisessä ilmiössä lämpötilaero synnyttää sähköä. Tunnettu esimerkki on Seebeckin ilmiö, jossa materiaalin päiden välille syntyy jännite, kun ne ovat eri lämpötiloissa. Toisaalta Peltierin ilmiössä, joka on käänteinen Seebeckin ilmiölle, saa sähkövirta aikaan lämpenemistä toisessa päässä ja jäähtymistä toisessa.  

- Elektroniikassa ilmiö on erityisen kiinnostava, sillä komponentit tuottavat jatkuvasti hukkalämpöä. Jos tuo lämpö saataisiin muutettua takaisin hyödylliseksi sähköksi ja samalla hallittua kuumenemista, voisi laitteista tulla selvästi energiatehokkaampia, selventää yliopistonlehtori Riku Tuovinen Jyväskylän yliopistosta. 

Teoriasta käytäntöön 

Jyväskylän yliopiston ja Wroclawin tiede- ja teknologiayliopiston tutkijoiden yhteistyö paljastaa, kuinka yksittäisten molekyylien muodostamissa nanoliitoksissa lämpötilaerot ja sähkövirrat käyttäytyvät, kun molekyylin elektronit eivät ole tasapainotilassa vaan liikkuvat edestakaisin ajan myötä. Tätä varten kehitettiin uusi lähestymistapa ajasta riippuvaan kvanttikuljetusteoriaan. Sen avulla voidaan tarkastella nanomittakaavan rakenteita, joissa yksinkertaiset mallit eivät riitä kuvaamaan monisäikeisiä kvantti-ilmiöitä. Kehitetty teoria on jo viety käytäntöön CHEERS-laskentaohjelmistossa, joka mahdollistaa nanomittakaavan lämpösähköisten prosessien tarkan simuloinnin. 

- Teoreettiset tuloksemme osoittavat, että molekyyliliitoksissa esiintyy ultralyhyitä ajanjaksoja, jolloin lämpösähköisen muunnoksen hyötysuhde voi ylittää tasapainotilassa saavutettavan tason, kertoo Tuovinen. Tällaiset lyhytaikaiset tehokkuuspiikit osoittavat, että lämpösähköisen ilmiön dynaaminen tarkastelu on ratkaisevan tärkeää sekä nanomittakaavan prosessien ymmärtämisessä että tulevien kvantti- ja energiateknologioiden kehittämisessä, hän jatkaa.  

Nanotason energianhallinta vaatii kvanttidynamiikan syvällistä ymmärrystä 

Tutkimus osoittaa, että molekyyliliitoksissa tapahtuvat femtosekuntien aikaskaalan lämpösähköiset vaihtelut voivat avata uusia mahdollisuuksia energian hallintaan nanomittakaavan komponenteissa.  

- Tämä on erityisen merkittävää tulevaisuuden teknologioille, esimerkiksi kvanttitietokoneissa käytettävien kubittien ultranopeiden bolometrien kehittämisessä, täydentää Tuovinen. 

Tutkimus korostaa, että ajasta riippuvien kvantti-ilmiöiden ymmärtäminen on keskeistä, kun pyritään hyödyntämään nanomittakaavan rakenteissa tapahtuvaa lämmönsiirtoa. 

Tutkimus on julkaistu PRX Energy -julkaisusarjassa 15.10.2025. 

Artikkelin tiedot: 

• Thermoelectric Energy Conversion in Molecular Junctions Out of Equilibrium. R. Tuovinen ja Y. Pavlyukh, PRX Energy, 15.10.2025 

• Linkki artikkeliin: https://journals.aps.org/prxenergy/abstract/10.1103/rj3h-8z3g 

• Doi-numero: https://doi.org/10.1103/rj3h-8z3g