Ученые сообщили о квазичастице, которая передает тепло под действием электрического поля

Ключевой вывод исследования заключается в том, что этот контроль теплопроводности связан со структурой материала, а не с какими-либо случайными столкновениями между атомами. В частности, исследователи описывают квазичастицы, называемые ферронами, чья поляризация изменяется по мере того, как они «покачиваются» между вибрирующими атомами, и именно это упорядоченное покачивание и поляризация, восприимчивые к приложенному извне электрическому полю, определяют способность материала передавать тепло с разной скоростью. Исследование было опубликовано 1 февраля 2023 г. в журнале Science Advances.

Ученые выяснили, что изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно нести тепло, и поэтому внешнее поле, которое изменяет эту вибрацию, должно влиять на теплопроводность.

«Люди склонны думать, что колебания атомов — это данность и они не реагируют на электрическое или магнитное поле. А мы говорим, что на них можно воздействовать электрическим полем», — пояснил ведущий автор исследования Джозеф Хереманс (Joseph Heremans), профессор машиностроения и аэрокосмической техники, материаловедения и инженерии, а также физики в Университете штата Огайо.

С помощью простого внешнего электрического стимула теплопроводность материала этого типа можно изменить при комнатной температуре, а не при чрезвычайно низких температурах, необходимых для управления большинством твердотельных тепловых переключателей, что расширяет возможности.

До сих пор ученые официально не представляли, как будет двигаться поляризация при воздействии тепла. В этой новой статье это движение описывается путем введения квазичастицы, называемой ферроном, которая одновременно несет волны поляризации и тепла. Феррон чувствителен к внешнему электрическому полю, а это означает, что приложение внешнего электрического поля может превратить материал в тепловой переключатель.

При этом ученые утверждают, что квазичастица существовала всегда. Ее просто не идентифицировали и не измерили. Исследователи сравнили поведение ферронов с волной на стадионе, где каждый спортивный болельщик представляет собой ячейку атомов, собранных вместе в кристалле.

«Мы обнаружили, что эти особые волны несут как тепло, так и поляризацию, и назвали их ферронами», – Брэнди Вутен (Brandi Wooten), докторант факультета материаловедения и инженерии в штате Огайо.

Это свойство теплопередачи индуцируется электрическим полем через явление, известное как пьезоэлектрическая деформация: решетка сжимается или растягивается при приложении напряжения, при этом атомы и силы между ними движутся вперед и назад, в конечном итоге изменяя механические свойства материала и, как следствие, приводя к изменению его теплопроводности.

Теория является предсказательной, поэтому теперь исследователи могут использовать ее для поиска материалов, в которых эффект намного больше, что в конечном итоге выведет поиски на материалы, в которых эффект окажется достаточно велик, чтобы его можно было использовать в тепловых выключателях для повседневных нужд, таких как сбор солнечной энергии.

Приложение электрического поля к материалу привело к 2% разнице между максимальной и минимальной проводимостью. В настоящее время исследователи изучают другие материалы, которые могут увеличить это изменение теплопроводности до 15%, как предсказывает новая теория.

Источник: Brandi Wooten et al, Electric-field dependent phonon spectrum and heat conduction in ferroelectrics, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.add7194.