Forskere finder en usædvanlig måde, hvorpå et materiale leder varme, når det komprimeres

I den seneste rynke, der blev opdaget i kubisk borarsenid, det usædvanlige materiale modsiger de traditionelle regler for varmeledning, ifølge en ny rapport fra Boston College -forskere i dagens udgave af tidsskriftet Naturkommunikation .

Som regel, når et materiale komprimeres, det bliver en bedre varmeleder. Det blev først fundet i undersøgelser for omkring et århundrede siden. I borarsenid, forskergruppen fandt ud af, at når materialet komprimeres, ledningsevnen først forbedres og derefter forringes.

Forklaringen er baseret på en usædvanlig konkurrence mellem forskellige processer, der giver varmebestandighed, ifølge medforfatterne professor David Broido og Navaneetha K.Ravichandran, en post-doc stipendiat, fra Institut for Fysik ved Boston College. Denne type adfærd er aldrig blevet forudsagt eller observeret før.

Resultaterne er i overensstemmelse med den ukonventionelle høje varmeledningsevne, som Broido, en teoretisk fysiker, og kolleger har tidligere identificeret i kubisk borarsenid.

Ravichandrans beregninger viste, at ved komprimering, materialet leder først varme bedre, ligner de fleste materialer. Men når kompressionen stiger, borarsenids evne til at lede varme forringes, medforfatterne skriver i artiklen, med titlen "Ikke-monoton trykafhængighed af termisk ledningsevne af borarsenid."

Sådan underlig adfærd stammer fra den usædvanlige måde, hvorpå varme transporteres i borarsenid, en elektrisk isolerende krystal, hvor varme transporteres af fononer - vibrationer i atomerne, der udgør krystallet, Sagde Broido. "Modstand mod varmestrømmen i materialer som borarsenid skyldes kollisioner mellem fononer, " han tilføjede.

Kvantfysik viser, at disse kollisioner sker mellem mindst tre fononer ad gangen, han sagde. I årtier, det var blevet antaget, at kun kollisioner mellem tre fononer var vigtige, især for gode varmeledere.

Kubisk borarsenid er usædvanligt, idet det meste af varmen transporteres af fononer, der sjældent støder sammen i trillinger, en funktion forudsagt for flere år siden af ​​Broido og samarbejdspartnere, herunder Lucas Lindsay ved Oak Ridge National Laboratory og Tom Reinecke fra Naval Research Lab.

Faktisk, kollisioner mellem tre fononer er så sjældne i borarsenid, at dem mellem fire fononer, som man havde forventet at være ubetydelig, konkurrere om at begrænse transporten af ​​varme, som vist af andre teoretikere, og af Broido og Ravichandran i tidligere publikationer.

Som et resultat af sådanne sjældne kollisionsprocesser blandt fonontrillinger, kubisk borarsenid har vist sig at være en fremragende varmeleder, som bekræftet af nylige målinger.

Ud fra denne seneste indsigt, Ravichandran og Broido har vist, at ved at påføre hydrostatisk tryk, konkurrencen mellem tre-fonon og fire-fonon kollisioner kan, faktisk, moduleres i materialet.

"Når borarsenid komprimeres, overraskende, tre-fonon-kollisioner bliver hyppigere, mens fire-fonon interaktioner bliver mindre hyppige, forårsager, at varmeledningsevnen først stiger og derefter falder, " sagde Ravichandran. "Sådanne konkurrerende reaktioner af tre-fonon- og fire-fonon-kollisioner på påført tryk er aldrig blevet forudsagt eller observeret i noget andet materiale, ".

Teoretikernes arbejde, støttet af et Multi-University Research Initiative-tilskud fra Office of Naval Research, forventes at blive taget op af eksperimentelister for at bevise konceptet, Sagde Broido.

"Denne videnskabelige forudsigelse afventer bekræftelse fra måling, men de anvendte teoretiske og beregningsmæssige tilgange har vist sig at være nøjagtige fra sammenligninger med målinger på mange andre materialer, så vi er overbeviste om, at eksperimenter vil måle adfærd, der ligner det, vi fandt. "sagde Broido.

"Mere bredt, den teoretiske tilgang, vi udviklede, kan også være nyttig til studier af jordens nedre kappe, hvor meget høje temperaturer og tryk kan forekomme, " sagde Ravichandran. "Da det er udfordrende at indhente eksperimentelle data dybt i Jorden, vores forudsigende beregningsmodel kan hjælpe med at give ny indsigt i varmestrømningens art ved de ekstreme temperatur- og trykforhold, der findes der. "