Elektrisk felt indstiller varmetransport i faste stoffer

Ved at påvirke, hvordan fononer bevæger sig gennem et krystalgitter, kan et elektrisk felt begynde at forme både hastigheden og retningen af varmetransport.

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory, der arbejder med forskere fra Ohio State University og Amphenol Corporation, har demonstreret en metode til at kontrollere varmestrømmen i faste materialer ved hjælp af et elektrisk felt.Resultaterne viser, at visse smarte keramik kan ændre, hvordan varmebærende vibrationer bevæger sig gennem en krystal, hvilket muliggør elektrisk indstillelig termisk transport.

Evnen til at regulere varmestrømmen inde i et materiale kan have praktiske konsekvenser for teknologier, hvor termisk styring er kritisk.Elektrisk styret varmeledning kan understøtte forbedret køling i elektroniske systemer, mere effektiv solid state-energikonvertering og bedre termisk regulering i chipskala-enheder.Retningsbestemt styring af varmetransport kan også gavne applikationer, hvor overskydende varme begrænser systemets ydeevne.

Fremgangsmåden virker ved at ændre, hvordan atomære vibrationer bevæger sig gennem krystalgitteret.Når et elektrisk felt påføres, justeres interne ladninger i keramikken langs feltretningen.Denne justering reducerer spredningen af ​​fononer, de mikroskopiske vibrationer, der er ansvarlige for at transportere varme gennem faste stoffer.Med færre forstyrrelser i deres vej kan vibrationerne rejse længere, før de spreder energi, hvilket resulterer i længere fononlevetider og hurtigere varmetransport.

Effekten observeres i en klasse af materialer kendt som relaxorbaseret ferroelektrisk keramik.Når de udsættes for et elektrisk felt, justeres deres indre dipoler i en proces kendt som poling.Målinger viser, at fononer, der bevæger sig langs feltretningen, fortsætter længere end dem, der bevæger sig vinkelret på den, hvilket øger den termiske ledningsevne langs feltretningen til næsten tre gange den observerede på tværs af krystallen.Opførselen blev undersøgt gennem eksperimenter udført ved Spallation Neutron Source under anvendelse af uelastisk neutronspredning til at observere både atomstruktur og dynamisk bevægelse i materialet.

Puspa Upreti, en postdoc-forsker ved Oak Ridge National Laboratory, siger, at arbejdet peger mod nye muligheder for at håndtere termisk energi i avancerede materialer."At være i stand til at kontrollere både hvor hurtigt og på hvilken måde varmestrømme kan føre til enheder, der håndterer termisk energi langt mere effektivt."