Uusi kvanttikuljetusteoria paljastaa, miten femtosekuntien aikaskaalan lämpösähköiset vaihtelut vaikuttavat energian hallintaan nanomittakaavassa. Jyväskylän yliopisto on ollut mukana hakemassa uutta teoreettista lähestymistapaa, joka voi avata uusia näkymiä esimerkiksi kvanttitietokoneiden komponenttien kehittämiseen.
Jyväskylän yliopiston ja Wroclawin tiede- ja teknologiayliopiston tutkijoiden yhteistyön tuloksena on selvitetty, kuinka yksittäisten molekyylien muodostamissa nanoliitoksissa lämpötilaerot ja sähkövirrat käyttäytyvät, kun molekyylin elektronit eivät ole tasapainotilassa vaan liikkuvat edestakaisin ajan myötä.
Uutta lähestymistapa perustuu uuteen ajasta riippuvaan kvanttikuljetusteoriaan, jonka 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 yliopistonlehtori Riku Tuovinen Jyväskylän yliopistosta. Hänen mukaansa tällaiset lyhytaikaiset tehokkuuspiikit osoittavat, että lämpösähköisen ilmiön dynaaminen tarkastelu on ratkaisevan tärkeää sekä nanomittakaavan prosessien ymmärtämisessä että tulevien kvantti- ja energiateknologioiden kehittämisessä.
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 Tuovinen.
Uusi 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.
Lisää: Thermoelectric Energy Conversion in Molecular Junctions Out of Equilibrium. R. Tuovinen ja Y. Pavlyukh, PRX Energy, 15.10.2025 (LINKKI).
Kuva: Laskennallinen viitekehys, joka perustuu epätasapainotilan Greenin funktioihin, mahdollistaa tarkat ja tehokkaat ennusteet nanomittakaavan lämpösähköiselle optimoinnille. Lähde: Jyväskylän messut.