Fra krystaller til briller:en ny samlet teori for varmetransport

Teoretiske fysikere fra SISSA og University of California i Davis har udviklet en ny tilgang til varmetransport i materialer, som endelig tillader krystaller, polykrystallinske faste stoffer, legeringer og glas, der skal behandles på samme solide fod. Det åbner vejen for numerisk simulering af de termiske egenskaber af en stor klasse af materialer inden for vigtige områder såsom energibesparelse, konvertering, oprydning, opbevaring, varmeafledning, afskærmning og planetariske videnskaber, som hidtil har undviget en ordentlig beregningsmæssig behandling. Forskningen er publiceret i Naturkommunikation .

Varmen forsvinder over tid. I en vis forstand, varmeflow er det definerende træk ved tidens pil. På trods af den grundlæggende betydning af varmetransport, faderen til dens moderne teori, Sir Rudolph Peierls, skrev i 1961, "Det ser ud til, at der ikke er noget problem i moderne fysik, som der er registreret for, da mange falske starter, og lige så mange teorier, der overser nogle væsentlige træk, som i problemet med den termiske ledningsevne af ikke-ledende krystaller."

Et halvt århundrede er gået siden, og varmetransport er stadig et af de mest uhåndgribelige kapitler inden for teoretisk materialevidenskab. Faktisk, ingen samlet tilgang har været i stand til at behandle krystaller og (delvist) uordnede faste stoffer på lige fod, dermed hindre generationer af materialeforskeres indsats for at simulere visse materialer, eller forskellige tilstande af det samme materiale, der forekommer i det samme fysiske system eller enhed med samme nøjagtighed.

Dette store hul er endelig blevet lukket af en gruppe forskere fra SISSA og UC Davis, ledet af Stefano Baroni og Davide Donadio inden for rammerne af MAX EU Center for Supercomputing Applications. Forskerne har udviklet en ny metodologi baseret på Green-Kubo-teorien om lineær respons og begreber fra gitterdynamik, der på flot bygger bro mellem forskellige tilgange, der gælder for krystaller og briller. Den nye metode tager naturligvis højde for kvantemekaniske effekter, dermed endelig muliggør den forudsigende modellering af varmetransport i komplekse uordnede materialer i lavtemperaturkvanteregimet, som ingen eksisterende teknik anvendte.

Denne bedrift vil således give videnskabsmænd og ingeniører mulighed for at forstå og designe varmetransport til en bred vifte af applikationer. At opnå ekstremt lav termisk ledningsevne er afgørende for termoelektrisk energihøst og faststofkøling, termisk isolering og termisk barrierebelægning, mens høj varmeledningsevne er nøglen til varmestyring i højeffektelektronik, batterier og solcelleanlæg. Endelig, nanostruktureret, polykrystallinsk, meget defekte eller endda glasagtige materialer kan studeres med høj nøjagtighed inden for en ensartet og gennemførlig ramme.