Theoretische Studie zeigt die Existenz riesiger photokalorischer Effekte in ferroelektrischen Perowskiten

Die Festkörperkühlung ist eine vielversprechende alternative Kühltechnik, die nicht wie herkömmliche Kühlsysteme auf die Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten angewiesen ist, sondern stattdessen die Eigenschaften fester Materialien zur Kühlung nutzt. Dieser alternative Kühlansatz könnte äußerst energieeffizient sein und dazu beitragen, Dinge zu kühlen, ohne Treibhausgase in die Luft freizusetzen.

Trotz ihres Potenzials hat sich herausgestellt, dass herkömmliche kalorische Effekte in realen Kühlgeräten nur schwer effektiv umzusetzen sind. Denn sie sind nur in einem engen Temperaturbereich von Bedeutung und stellen spezifische Anforderungen, die die Möglichkeiten der resultierenden Kühlsysteme einschränken.

Forscher des Institut de Ciència de Materials de Barcelona und der Universitat Politècnica de Catalunya haben kürzlich eine mögliche Lösung zur Überwindung der Einschränkungen bestehender Festkörperkühlsysteme vorgeschlagen. Ihr Papier, veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Untersuchungzeigt theoretisch, dass einige ferroelektrische Perowskite riesige photokalorische (PC) Effekte aufweisen könnten, die über einen weitaus größeren Temperaturbereich anhalten als herkömmliche kalorische Effekte.

„Unsere Inspiration kam aus zwei verschiedenen Quellen“, sagte Claudio Cazorla, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Einerseits waren wir uns der Möglichkeit bewusst, Phasenübergänge in Ferroelektrika durch die Bestrahlung mit Licht hervorzurufen, und hatten diese Idee bereits untersucht, um neue thermische Schaltmechanismen vorzuschlagen. Andererseits interessierten wir uns für die Festkörperkühlung und … kalorische Materialien, die vielversprechend sind, um aktuelle Kühltechnologien zu ersetzen, die auf Kompressions-/Dekompressionszyklen umweltschädlicher Gase basieren.“

Kalorische Materialien, die typischerweise zur Festkörperkühlung verwendet werden, unterliegen Phasenübergängen unter externen Feldern. Diese Übergänge verändern die Entropie dieser Materialien und können genutzt werden, um Kühlung und Wärmepumpen zu induzieren.

Ausgehend von ihrem Interesse an ferroelektrischen und kalorischen Materialien machten sich Cazorla und seine Kollegen daran, die mögliche Existenz von PC-Effekten in ferroelektrischen Materialien zu untersuchen, die im Wesentlichen eine Festkörperkühlung durch Lichtbestrahlung ermöglichen würden. Das Hauptziel ihrer aktuellen Studie bestand darin, diese PC-Effekte theoretisch zu charakterisieren und festzustellen, ob sie für die Entwicklung von Kühlsystemen von praktischem Interesse sein könnten.

„Obwohl es die Idee, Phasenübergänge in Ferroelektrika mit Licht zu induzieren, schon seit einiger Zeit gibt, bin ich 2021 bei einem Workshop zufällig darauf gestoßen“, sagte Riccardo Rurali, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org.

„Es erregte sofort meine Aufmerksamkeit, weil ich dachte, dass man damit einen Thermoschalter entwerfen könnte (mein Hauptforschungsgebiet), bei dem man durch Lichtabsorption zwischen einem Zustand mit hoher und niedriger Wärmeleitfähigkeit hin und her wechseln kann, zum Glück, Claudio Cazorla erkannte, dass der gleiche lichtinduzierte Phasenübergang mit einer enormen Änderung der Entropie einherging und daher zur Entwicklung eines äußerst effizienten PC-Zyklus genutzt werden konnte, der den von uns zuvor vorgeschlagenen Thermoschalter bei weitem übertrifft.“

PC-Effekte könnten gegenüber anderen kalorischen Effekten, wie etwa magnetokalorischen, elektrokalorischen und mechanokalorischen Effekten, verschiedene Vorteile haben. Am bemerkenswertesten ist, dass PC-Effekte beträchtlich sind und über einen viel größeren Temperaturbereich genutzt werden können.

Tatsächlich wurde theoretisch nachgewiesen, dass die in der Arbeit des Teams beschriebenen Effekte über weite Temperaturintervalle in der Größenordnung von 100 K groß bleiben. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche kalorische Effekte nur über enge Temperaturintervalle in der Größenordnung von 10 K aktiv.

„Voraussetzung dafür, dass der lichtinduzierte PC-Effekt funktioniert, ist, dass das System bei der Absorption von Licht von einem ferroelektrischen in einen paraelektrischen Zustand wechselt, also seine spontane elektrische Polarisation verliert“, erklärt Cazorla. „Daher entspricht das Temperaturintervall, in dem PC-Effekte beobachtet werden können, dem Temperaturbereich, in dem das Material ferroelektrisch ist, der mehrere hundert Grad Kelvin betragen kann.“

In ihrer Arbeit sagen Cazorla, Rurali und ihre Kollegen die Existenz von PC-Effekten in einigen ferroelektrischen Materialien voraus. Bemerkenswert ist, dass diese Effekte vermutlich nur bei wenigen polaren Materialien auftreten, einschließlich der archetypischen Ferroelektrika BaTiO3 und KNbO3.

„Die Tatsache, dass das auslösende Feld [for] „PC-Effekte sind die Absorption von Licht, was bedeutet, dass keine Elektroden auf den Oberflächen des ferroelektrischen Materials angebracht werden müssen“, sagte Cazorla. „Dies kann das Design und die Herstellung des entsprechenden praktischen Aufbaus erheblich vereinfachen.“ Darüber hinaus eignen sich PC-Effekte sehr gut zur Miniaturisierung, da die notwendige Lichtquelle mit Lasern erreicht werden kann.“

Die in dieser aktuellen Arbeit theoretisch nachgewiesenen PC-Effekte könnten bald weiter untersucht und experimentell untersucht werden. Cazorla, Rurali und ihre Kollegen vermuten, dass diese Effekte besonders gut für Kühlanwendungen im Mikromaßstab geeignet wären, beispielsweise für die Kühlung von Zentraleinheiten (CPUs) und anderen Schaltkreiskomponenten.

Da darüber hinaus angenommen wird, dass diese Effekte über weite Temperaturintervalle, die von Raumtemperatur bis zum absoluten Nullpunkt reichen, anhalten, könnten sie auch genutzt werden, um eine kryogene Kühlung (d. h. bis hin zu extrem niedrigen Temperaturen) zu erreichen. Die kryogene Kühlung könnte wiederum für die Realisierung von Quantentechnologien von großem Wert sein.

„Derzeit erforschen wir andere Materialfamilien als Ferroelektrika, die ebenfalls lichtinduzierte Phasenübergänge mit Potenzial für Festkörperkühlungsanwendungen aufweisen könnten“, sagte Cazorla. „Darüber hinaus erwägen wir die Rolle der Dimensionalität bei der Erzielung von PC-Effekten.“ in tatsächliche Anwendungen (z. B. zweidimensionale Materialien und dünne Filme) umgesetzt werden.

Cazorla, Rurali und ihre Kollegen führen nun weitere Studien durch, um das Potenzial der von ihnen theoretisierten PC-Effekte weiter zu bewerten und gleichzeitig mögliche Strategien zu prüfen, um sie in realen Anwendungen zu nutzen. Ihre Studie könnte andere Teams dazu inspirieren, diese Effekte und ihr Potenzial zur Verbesserung der Festkörperkühlung ebenfalls zu untersuchen.

„Wir haben erkannt, dass photoinduzierte Ladung andere Ladungsordnungszustände unterdrücken kann, die mit der Gitterstruktur gekoppelt sind“, fügte Rurali hinzu. „Aktuell untersuchen wir 2D-Materialien, die Ladungsdichtewellen (CDW) aufweisen. Sie sind besonders vielversprechend, weil sie aufgrund ihrer Dimensionalität besser geeignet zu sein scheinen, Licht effizient zu absorbieren.“

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