Et kvantetrin til en varmeafbryder uden bevægelige dele

Forskere har opdaget en ny elektronisk egenskab ved grænsen mellem termisk og kvantevidenskab i en specialfremstillet metallegering - og i processen identificeret et lovende materiale til fremtidige enheder, der kunne tænde og slukke for varmen med anvendelsen af ​​en magnetisk "switch". "

I dette materiale, elektroner, som har en masse i vakuum og i de fleste andre materialer, bevæge sig som masseløse fotoner eller lys - en uventet adfærd, men et fænomen teoretisk forudsagt at eksistere her. Legeringen blev konstrueret med grundstofferne bismuth og antimon i præcise områder baseret på grundlæggende teori.

Under påvirkning af et eksternt magnetfelt, fandt forskerne, disse mærkeligt opførende elektroner manipulerer varme på måder, der ikke ses under normale forhold. På både den varme og kolde side af materialet, nogle af elektronerne genererer varme, eller energi, mens andre absorberer energi, effektivt at gøre materialet til en energipumpe. Resultatet:En 300% stigning i dens varmeledningsevne.

Tag magneten væk, og mekanismen er slukket.

"Genereringen og absorptionen danner anomalien, "sagde studiens seniorforfatter Joseph Heremans, professor i maskin- og rumfartsteknik og Ohio Eminent Scholar i nanoteknologi ved Ohio State University. "Varmen forsvinder og dukker op igen andre steder - det er ligesom teleportering. Det sker kun under meget specifikke omstændigheder forudsagt af kvanteteorien."

Denne ejendom, og enkelheden ved at styre den med en magnet, gør materialet til en ønskværdig kandidat som varmeafbryder uden bevægelige dele, ligner en transistor, der skifter elektriske strømme eller en vandhane, der skifter vand, som kunne køle computere eller øge effektiviteten af ​​solvarmekraftværker.

"Solid-state varmeafbrydere uden bevægelige dele er yderst ønskelige, men de findes ikke, " sagde Heremans. "Dette er en af ​​de mulige mekanismer, der ville føre til en."

Forskningen er offentliggjort i dag (7. juni, 2021) i journalen Naturmaterialer .

Bismut-antimonlegeringen er blandt en klasse af kvantematerialer kaldet Weyl semimetaller, hvis elektroner ikke opfører sig som forventet. De er kendetegnet ved egenskaber, der omfatter negativt og positivt ladede partikler, elektroner og huller, henholdsvis, der opfører sig som "masseløse" partikler. Også en del af en gruppe kaldet topologiske materialer, deres elektroner reagerer som om materialet indeholder interne magnetfelter, der muliggør etablering af nye veje, som disse partikler bevæger sig langs.

I fysikken, en anomali - elektronernes generation og absorption af varme opdaget i denne undersøgelse - refererer til visse symmetrier, der er til stede i den klassiske verden, men er brudt i kvanteverdenen, sagde undersøgelsens medforfatter Nandini Trivedi, professor i fysik ved Ohio State.

Vismutlegeringer og andre lignende materialer har også klassisk ledning som de fleste metaller, hvorved vibrerende atomer i et krystalgitter og elektronernes bevægelse bærer varme. Trivedi beskrev den nye vej, langs hvilken lyslignende elektroner manipulerer varme indbyrdes som en motorvej, der ser ud til at dukke op fra ingenting.

"Forestil dig, hvis du boede i en lille by, der havde små veje, og pludselig er der en motorvej, der åbner sig, "sagde hun." Denne særlige vej åbner sig kun, hvis du anvender en termisk gradient i en retning og et magnetfelt i samme retning. Så du kan nemt lukke motorvejen ved at sætte magnetfeltet i en vinkelret retning.

"Der findes ikke sådanne motorveje i almindelige metaller."

Når et metal som kobber opvarmes, og elektroner strømmer fra den varme ende til den kolde ende, både varmen og ladningen bevæger sig sammen. På grund af den måde, hvorpå denne motorvej åbner sig i det eksperimentelle Weyl-semimetalmateriale, der er ingen nettoladningsbevægelse - kun energibevægelse. Absorptionen af ​​varme af visse elektroner repræsenterer et brud i chiralitet, eller retningsbestemt, hvilket betyder, at det er muligt at pumpe energi mellem to partikler, der ikke forventes at interagere - en anden egenskab ved Weyl-halvmetaller.

De teoretiske fysikere og ingeniører, der samarbejdede om denne undersøgelse, forudsagde, at disse egenskaber fandtes i specifikke vismutlegeringer og andre topologiske materialer. Til disse eksperimenter, forskerne konstruerede den specialiserede legering for at teste deres forudsigelser.

"Vi arbejdede hårdt på at syntetisere det korrekte materiale, som er designet fra bunden af ​​os for at vise denne effekt. Det var vigtigt at rense det langt under mængden af ​​urenheder, som du finder i naturen, " sagde Heremans. Som sammensat, legeringen minimerede baggrundsledningen, så forskerne kunne registrere adfærden hos de masseløse elektroner, kendt som Weyl Fermions.

"I almindelige materialer, elektroner trækker rundt med sig en lille magnet. Imidlertid, den ejendommelige elektroniske struktur af disse vismutlegeringer betyder, at elektronerne trækker rundt på en magnet, der er næsten 50 gange større end normalt, " sagde Michael Flatté, professor i fysik og astronomi ved University of Iowa og en medforfatter af et studie. "Disse enorme subatomære magneter tillod den nye elektroniske tilstand at blive dannet ved hjælp af laboratoriemagnetiske felter.

"Disse resultater viser, at teorier udviklet til højenergifysik og subatomære partikelteorier ofte kan realiseres i specialdesignede elektroniske materialer."

Som alt kvante, Heremans sagde, "Det, vi observerede, ligner lidt magi, men det er det, vores ligninger siger, at den skal gøre, og det er, hvad vi eksperimentelt har bevist, at den gør. "

En hake:Mekanismen i dette materiale virker kun ved lav temperatur, under minus 100 grader Fahrenheit. Med de grundlæggende principper nu forstået, forskerne har masser af muligheder, når de arbejder hen imod potentielle anvendelser.

"Nu ved vi, hvilke materialer vi skal kigge efter, og hvilken renhed vi har brug for, " sagde Heremans. "Det er sådan, vi kommer fra opdagelse af et fysisk fænomen til et ingeniørmateriale."