Ученые раскрыли секрет свойства твердых материалов, известного как сегнетоэлектрики, показав, что квазичастицы, движущиеся волнообразно среди вибрирующих атомов, несут достаточно тепла, чтобы превратить материал в термовыключатель при внешнем приложении 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, поляризация которых меняется, когда 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.

«Мы выяснили, что это изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно нести тепло, и поэтому внешнее поле, которое изменяет эту вибрацию, должно влиять на теплопроводность», — сказал старший автор Джозеф Хереманс, профессор. машиностроения и аэрокосмической техники, материаловедения и инженерии, а также физики в Университете штата Огайо.

«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».

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 материалов-кандидатов на твердотельные тепловые переключатели, что расширяет возможности для реальных тепловых выключателей. исследователи говорят.

Исследование опубликовано сегодня (1 февраля 2023 г.) в журнале Science Advances .

Материал, использованный в исследовании, представляет собой обычную керамику из титаната циркония свинца, принадлежащую к классу материалов, называемых пьезоэлектриками , которые меняют форму при приложении к ним электрического поля или производят электрический заряд при механическом воздействии.

Сегнетоэлектрики, разновидность пьезоэлектриков, представляют собой материалы, в которых электрические заряды атомов могут спонтанно образовывать электрические диполи, ориентированные в одном направлении, образуя так называемую поляризацию. Эти диполи могут переключаться внешним электрическим полем.

До сих пор ученые официально не записали, как будет двигаться эта 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.

«Квазичастица существовала всегда. Ее просто не идентифицировали и не измерили», — говорит первый автор Брэнди Вутен, доктор философии. студент факультета материаловедения и инженерии в штате Огайо.

Вутен сравнил поведение ферронов с волной на стадионе, где каждый спортивный болельщик представляет собой ячейку атомов, собранных вместе в кристалле.

«У вас есть все эти атомы, и у них есть этот особый диполь — атом с электрическим зарядом, который движется вверх и вниз, создает диполь. , это действительно сильно. Если они немного опущены, это слабее, а если они полностью опущены, это отрицательно», — сказала она. «Это сила диполя. Мы обнаружили, что эти особые волны несут как тепло, так и поляризацию, и назвали их ферронами».

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, изменение его теплопроводности, — сказал Хереманс, также выдающийся ученый в области нанотехнологий из Огайо.

«Феррон также чувствителен к деформации в твердом теле. Поскольку феррон переносит тепло, это делает количество переносимого тепла зависимым от электрического поля», — сказал он. «Поэтому мы написали новую теорию, которая связывает внешнее электрическое поле, напряжение, которое оно вызывает в сегнетоэлектрике, и, в конечном счете, как это напряжение влияет на теплопроводность».

Теория является предсказательной, поэтому теперь исследователи могут использовать ее для поиска материалов, в которых эффект намного больше, что в конечном итоге приводит к материалам, в которых он достаточно велик, чтобы его можно было использовать в тепловых выключателях в повседневных приложениях, таких как сбор солнечной энергии.

Приложение электрического поля к материалу привело к 2-процентной разнице между максимальной и минимальной проводимостью, как и предсказывала новая теория. Серия экспериментов по количественной оценке атомных вибраций путем измерения скорости звуковых волн материала, а также равновесных и транспортных свойств подтвердила, что «все это зависит только от структуры материала, а не обязательно от того, что рассеивает вибрации», — сказал Вутен.

В настоящее время исследователи изучают другие материалы, которые могут увеличить это изменение теплопроводности до 15%, как предсказывает новая теория.

«Любое применение зависит от того, найдем ли мы материал, в котором эффект будет намного больше», — сказал Хереманс. «Мы ищем материалы с нужными параметрами».

Дополнительные соавторы включают Ре Игучи и Кеничи Учида из Национального института материаловедения в Японии; Пинг Танг и Геррит Бауэр из Университета Тохоку; и Джун Сан Кан из штата Огайо.