冷原子气体热电材料模拟装置示意图
19世纪发现的热电材料拥有一种非凡的性质，加热它们会产生少量电流。但几十年来，如何将这种电流提高到胜任现代科技需求的水平一直是个巨大的挑战。现在苏黎世瑞士联邦理工学院的Tilman Esslinger领导的量子光学研究团队建立了一套有助于更好的理解热电转换基本现象的关键模型——冷原子气体热电材料模拟装置。有望使该领域的研究取得实质进展，以便将来大幅度的提高热电材料性能。一个由法国和瑞士科学家组成的跨国团队很偶然间推动了项目进展，而后他们通力合作，并将结果发表在《科学》上。
用热发电一般包括以下过程：燃烧可燃物，将流体加热，流体带动涡轮发动机转动，最终产生电流。在热电材料中，整个循环由一个天然的热力发动机完成，但是这种效应很微弱，就目前已知的材料而言，热电转换的效率远远低于普通发电机。
目前，热电技术主要用于为空间探测器供电，如好奇号火星车；或用于自供电的传感器等小型器件。但专家们期待这一技术在未来被广泛应用。比如在那些热量被严重浪费的发动机上。汽车公司就已经在测试不同的热电系统，希望回收利用汽车排放的尾气中的能量，从而将油耗节省3%到5%。其他消费应用包括通过身体的热量为手机或手表充电（如下图）。热量常常在人类活动中被挥霍掉了，所以高效的热电材料将会成为一种重要的可再生能源的来源。
一种外形酷似手表的手腕发电装置，可为手机临时充电
瑞士联邦理工学院的热电材料模拟装置位于一个由玻璃制成的真空盒中（题图），里面充满了锂原子气体。科学家们用激光将气体冷却到接近绝对零度，即摄氏零下273度。在这种条件下，气体原子的行为类似于材料中的电子。（编者注：根据固体物理理论，材料的电学性能主要由其中处在费米能级附近的电子决定，而绝对零度下的气体也处于它的费米能级上。因此二者可用相似的量子力学方程描述，故行为近似）。为了模拟热电材料，原子气体被一束激光束所分隔，从而制造出一个空间上有差异的结构。在激光束阀门闭合后加热左边的气体使之升温（编者注：约高于右边气体200nK，即五百万分之一摄氏度），再打开阀门使两边的气体连通。温度的不均衡会导致左边能量较高的粒子向右流动，而右边能量较低的粒子向左流动。在该实验装置的通道中，粒子的迁移率随能量增加而增加，使双向移动的效果不对称。总体结果就是气体云从左边向右边流动，就像热电材料中产生“电流”。
使用被激光隔断的原子云来模拟复杂材料的行为是苏黎世的科学家们屡试不爽的方法。过去十年来，他们用这种方法研究了超导体和磁体，甚至包括一些与导电相关的器件。但研究者们本来没有指望他们的新实验能获得如此大的成功。Tilman Esslinger说：“依靠简单的组份，我们就模拟出了效率堪比天然材料的热电材料。这真是一个惊喜。”
尽管这仅仅是一个基础的研究，该实验仍可能会对材料科学产生重大影响，有望成为一种基准。在未来两年，该研究团队打算研究更复杂的系统。即使在现在，冷原子仿真方法也给热电转换带来了新的曙光：借用这一方法，可以进行理论和实验之间的比较对照，这在高度复杂化的天然材料上往往是很难实现的。科学家们还利用冷原子仿真方法，对材料中的缺陷和失序带来的影响进行了有效的探索。
借助这些新的发现，科学家们可以用一种可控的方式研究热电效应潜在的基本过程。这将非常有助于在未来仿真和设计热电材料，特别是在对天然材料的实验仍缺乏理论解释的领域。试想未来高效率的热电材料使得汽车更加节能、电源随身可取，那时人们会不会记得今天的科学家们这种原始却富有开创性的工作呢？
编译：西风紧北雁南飞
来源：Learning How to Convert Heat Directly Into Power: A Thermoelectric Materials Emulator
