為了有效地將熱量轉化為電能，研究人員正在尋找具有許多特性的熱電材料：它們應具有較大的塞貝克效應、高導電性和低導熱性。然而，這是極其難以實現的，因為這些屬性是相互關聯和相互依賴的。
奧地利維也納科技大學 (TU Wien) 的物理學家成功地找到了解決這一矛盾並同時優化一種材料的所有熱電性能的新方法。
「在所謂的安德森躍遷，即從局部電子態到移動電子態的量子相變中，理想熱電的條件得到滿足，」自然通訊上有關這項工作的論文的第一作者 Fabian Garmroudi 說。「這意味著所有傳導電子的能量大致相同。」
當添加雜質原子時，半導體中會發生安德森躍遷，從而強烈地結合它們的電子。「類似於海中的浮冰，它們最初是相互隔離的，不能被踩到，」Garmroudi 解釋說。「但是，如果浮冰的數量足夠多，你就有一個連續的連接，你可以通過它渡海。」
這在固體中以類似的方式發生：如果雜質原子的數量超過臨界值，電子可以突然從一個原子自由移動到另一個原子，並且電流可以流動。
TU Wien 研究人員與瑞典和日本以及維也納大學的研究人員密切合作，證明了安德森過渡的重要性。他們首次將這種轉變與熱電特性的顯著變化聯繫起來。當他們將由鐵、釩和鋁 (Fe 2 VAL)製成的熱電材料加熱到接近熔點的非常高的溫度時，該團隊做出了令人興奮的發現。
「在高溫下，原子的振動如此強烈，以至於它們偶爾會交換它們的晶格位置。例如，然後鐵原子位於釩原子之前的位置，」共同作者 Ernst Bauer 說。「我們通過所謂的『淬火』，即在水浴中快速冷卻，成功地凍結了這種在高溫下發生的『原子混亂』。」 這些不規則缺陷與雜質原子的作用完全相同，無需改變材料的化學成分。
在固態物理學的許多研究領域中，所研究的材料需要儘可能純淨並具有理想的晶體結構，因為原子的規律性簡化了對物理性質的理論描述。然而，在 Fe 2 VAL 的情況下，正是缺陷導致了大部分熱電性能。相鄰學科也已經表明，違規行為可能是有利的。
「量子材料的基礎研究就是一個很好的例子，」共同作者 Andrej Pustogow 說。「在那裡，科學已經能夠證明，無序往往是『量子湯』中必要的調味品。現在這個概念也進入了應用固態研究。」