Ny indsigt styrker Einsteins idé om, hvordan varme bevæger sig gennem faste stoffer

En ny teoretisk ramme udviklet af fysikere ved Georgia Institute of Technology kaster nyt lys over, hvordan varme bevæger sig gennem faste stoffer, og tilbyder en potentiel forklaring på de mystiske egenskaber ved termisk transport i visse materialer.

Udgivet i tidsskriftet Physical Review Letters giver forskningen en måde at forstå opførsel af termisk transport i isolatorer og halvledere, når de udsættes for ekstreme forhold såsom høje temperaturer eller tryk.

Undersøgelsen giver også indsigt i design af næste generations termoelektriske materialer, som kan bruges til effektivt at konvertere termisk energi til elektrisk strøm.

"Det, vi har vist her, er en ny måde at tænke på termisk transport i isolatorer og halvledere," sagde Dr. Joshua Kretchmer, en assisterende professor ved School of Physics ved Georgia Tech og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores resultater kan føre til nye materialer med forbedrede termiske egenskaber og bane vejen for mere effektiv energiomdannelse."

Et af de vigtigste resultater af undersøgelsen er "kvasipartiklernes" rolle i transporten af ​​varme i faste stoffer. Disse kvasipartikler er excitationer i krystalgitteret, der opfører sig som partikler, men de er ikke rigtige, observerbare objekter.

I konventionelle materialer er varmetransport ofte domineret af atomernes vibrationer i krystalgitteret, som kan opfattes som et sæt af fjedre og masser. Men i nogle materialer, såsom dem, der anvendes i termoelektriske enheder, er varmetransport domineret af bevægelsen af ​​kvasipartikler, såsom elektroner eller huller.

Forskerne fandt ud af, at samspillet mellem disse kvasipartikler og de atomare vibrationer spiller en afgørende rolle i bestemmelsen af ​​et materiales termiske transportegenskaber. De fandt især ud af, at når interaktionen er stærk, reduceres varmetransporten.

"Vores arbejde viser, at samspillet mellem kvasipartikler og vibrationer er utrolig vigtigt for at forstå termisk transport i faste stoffer," sagde Dr. Kretchmer. "Ved at kontrollere denne interaktion kunne vi potentielt designe materialer med meget højere eller lavere termisk ledningsevne, afhængigt af den ønskede anvendelse."

Dr. Kretchmer og hans team arbejder nu på at anvende den teoretiske ramme til design af nye termoelektriske materialer og på at forstå de termiske transportegenskaber af andre materialer, såsom topologiske isolatorer og superledere.