Forskare rapporterar kvasipartiklar som kan överföra värme under elektrisk kontroll

Forskare har avslöjat hemligheten bakom en egenskap hos fasta material som kallas ferroelektrik, vilket visar att kvasipartiklar som rör sig i vågliknande mönster bland vibrerande atomer bär tillräckligt med värme för att förvandla materialet till en termisk switch när ett elektriskt fält appliceras utanför.

En av studiens huvudfynd är att denna kontroll av värmeledningsförmågan beror på materialets struktur snarare än slumpmässiga kollisioner mellan atomer. Specifikt beskriver forskarna kvasipartiklar som kallas ferroner vars polarisering ändras när de “vickar” mellan vibrerande atomer – och det är denna ordnade tremor och polarisering, känslig för extern applicering. elektriskt fältsom dikterar materialets förmåga att överföra värme i en annan takt.

“Vi förstod att denna förändring av dessa atomers position, och förändringen i vibrationernas natur, måste transportera värme, och därför måste det yttre fältet som modifierar denna vibration påverka värmeledningsförmågan”, sa huvudförfattaren Joseph Heremans , professor. mekanisk och rymdteknik, materialvetenskap och teknik och fysik vid Ohio State University.

“Människor tenderar att tro att atomvibrationer är ett givet faktum och reagerar inte på en elektriskt fält eller ett magnetfält. Och vi säger att du kan påverka dem med ett elektriskt fält.”

Med hjälp av en enkel extern elektrisk stimulans kan värmeledningsförmågan för denna typ av material ändras till omgivningstemperatur snarare än de extremt låga temperaturer som krävs för att styra de flesta kandidatmaterial för termiska omkopplare i fast tillstånd, vilket förbättrar teknikens verkliga tillämpningsmöjligheter, säger forskarna.

Studien publiceras idag (1 februari 2023) i tidskriften Forskarna gör framsteg.

Materialet som används i studien är en vanlig blyzirkoniumtitanatkeramik som tillhör en klass av material som kallas piezoelektrisksom ändrar form när ett elektriskt fält appliceras på dem eller producerar en elektrisk laddning under mekanisk påfrestning.

Ferroelektrik, en delmängd av piezoelektrik, är material där elektriska laddningar på atomer spontant kan bilda elektriska dipoler som alla ställer upp i samma riktning och bildar vad som kallas polarisering. Dessa dipoler kan kopplas om av ett externt elektriskt fält.

Fram till nu hade forskare inte formellt skrivit hur denna polarisering skulle förändras när värme applicerades. I denna nya artikel beskrivs denna motion genom att introducera kvasipartikel-kallas en ferron-som bär polarisering och värmevågor samtidigt. Ferron är känsligt för ett externt elektriskt fält, vilket innebär att applicering av ett externt elektriskt fält kan förvandla materialet till en termisk switch.

“Kvasipartikeln har alltid funnits där. Den har bara inte identifierats och mätts”, säger första författaren Brandi Wooten, som har en doktorsexamen. materialvetenskap och ingenjörsstudent vid Ohio State.

Wooten jämförde järnens beteende med en stadionvåg, där varje sportfan representerade en cell av atomer samlade i en kristall.

“Du har alla dessa atomer, och de har den här speciella dipolen – en atom med en elektrisk laddning som går upp och ner skapar en dipol. Du kan tänka på människors händer som går upp och gör vågen som dipolens kraft – om deras händer är upp, det är riktigt starkt. Om de är lite nere är det svagare, och om de är hela vägen ner är det negativt, säger hon. är styrkan i dipolen. Vi upptäckte att dessa speciella vågor bär både värme och polarisering, och vi kallade dem ferroner.”

Denna värmeöverföringsegenskap induceras av det elektriska fältet genom ett fenomen som kallas piezoelektrisk deformation: gittret drar ihop sig eller sträcker sig när spänning appliceras, atomerna och krafterna mellan dem rör sig från tidigare tillbaka, vilket i slutändan förändrar materialets mekaniska egenskaper. och därför förändrar dess värmeledningsförmåga, sade Heremans, också en framstående nanoteknikforskare från Ohio.

“Ferron är också känsligt för deformation i det fasta materialet. Eftersom ferron transporterar värme gör det mängden värme som transporteras beroende av det elektriska fältet”, sa han. “Så vi skrev en ny teori som relaterar ett externt elektriskt fält, spänningen det inducerar i en ferroelektrisk, och i slutändan hur den spänningen påverkar värmeledningsförmågan.”

Teorin är förutsägande, så forskare kan nu använda den för att hitta material där effekten är mycket större, vilket i slutändan leder till material som är tillräckligt stora för att användas i termiska switchar i vardagliga tillämpningar, som insamling av solenergi.

Att applicera ett elektriskt fält på materialet gav en skillnad på 2% mellan maximal och minimal konduktivitet – som den nya teorin förutspår att den skulle göra. En serie experiment som kvantifierar atomvibrationer genom att mäta materialets ljudvågshastighet och jämvikts- och transportegenskaper validerade “att allt bara beror på materialets struktur, inte nödvändigtvis vad som sprider vibrationerna”, sa Wooten.

Forskare undersöker för närvarande andra material som kan öka denna förändring värmeledningsförmåga upp till 15 %, som den nya teorin förutspår.

“Alla applikationer beror på vår förmåga att hitta ett material där effekten är mycket större,” sa Heremans. “Vi letar efter material som har rätt parametrar.”

Andra medförfattare inkluderar Ryo Iguchi och Ken-ichi Uchida från National Institute of Materials Science i Japan; Ping Tang och Gerrit Bauer från Tohoku University; och Joon Sang Kang från Ohio State.