Εκπληκτική συμπεριφορά μεταφοράς θερμότητας που παρατηρείται σε νέους ημιαγωγούς υπό πίεση

Η θερμική αγωγιμότητα των υλικών συνήθως αυξάνεται όταν υπόκεινται σε πολύ υψηλές πιέσεις. Αλλά ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Λος Άντζελες (UCLA) ανακάλυψαν ότι το αντίθετο ισχύει για το αρσενίδιο του βορίου – έναν ημιαγωγό που ανακαλύφθηκε πρόσφατα που δείχνει πολλά υποσχόμενα για εφαρμογές διαχείρισης θερμότητας και προηγμένες ηλεκτρονικές συσκευές. Το εύρημα θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο που σκεφτόμαστε τη μεταφορά θερμότητας κάτω από ακραίες συνθήκες, όπως αυτές που βρίσκονται στο εσωτερικό της Γης, όπου οι άμεσες μετρήσεις είναι αδύνατες.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Yongjie Hu, εφάρμοσε υδροστατική πίεση σε δείγματα αρσενιδίου βορίου που τοποθετήθηκαν μεταξύ δύο διαμαντιών σε μια κυψέλη άκμονα. Στη συνέχεια εξέτασαν πώς οι ατομικές δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος (φωνόνια, ο κύριος τρόπος με τον οποίο η θερμότητα μεταφέρεται μέσω των υλικών) άλλαξαν με αυξανόμενες πιέσεις έως και 32 GPa. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποίησαν μια ποικιλία μετρήσεων υπερταχείας οπτικής, συμπεριλαμβανομένης της φασματοσκοπίας Raman και της ανελαστικής σκέδασης ακτίνων Χ. Η ομάδα διαπίστωσε ότι σε εξαιρετικά υψηλή πίεση - εκατοντάδες φορές υψηλότερη από αυτή που βρίσκεται στον πυθμένα του ωκεανού - η θερμική αγωγιμότητα του αρσενιδίου του βορίου αρχίζει να μειώνεται.

Ο Hu και οι συνάδελφοί τους, οι οποίοι αναφέρουν την εργασία τους στο Φύση, αποδίδουν την ανώμαλη συμπεριφορά υψηλής πίεσης που παρατήρησαν σε μια πιθανή παρεμβολή που προκαλείται από τους ανταγωνιστικούς τρόπους με τους οποίους η θερμότητα ταξιδεύει μέσω του κρυστάλλου αρσενιδίου του βορίου καθώς αυξάνεται η πίεση. Σε αυτή την περίπτωση, ο ανταγωνισμός είναι μεταξύ τριών φωνών και διαδικασιών σκέδασης τεσσάρων φώνων. Στα περισσότερα κοινά υλικά παρατηρείται το αντίθετο αποτέλεσμα: καθώς η πίεση πιέζει τα άτομα πιο κοντά μεταξύ τους, η θερμότητα κινείται μέσω της δομής ταχύτερα, άτομο προς άτομο.

Ένας μηχανισμός για ένα εσωτερικό θερμικό παράθυρο

Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν επίσης ότι η θερμική αγωγιμότητα των υλικών μπορεί να φτάσει στο μέγιστο μετά από ένα εύρος πίεσης κατωφλίου. «Είμαστε πολύ ενθουσιασμένοι που βλέπουμε αυτό το εύρημα να παραβιάζει τον γενικό κανόνα της μεταφοράς θερμότητας υπό ακραίες συνθήκες και δείχνει νέες θεμελιώδεις δυνατότητες», λέει ο Hu. Κόσμος Φυσικής, «Η μελέτη θα μπορούσε επίσης να επηρεάσει την καθιερωμένη κατανόησή μας για δυναμικές συμπεριφορές, όπως για το εσωτερικό των πλανητών. Μπορεί ακόμη και να υπάρξουν συνέπειες για τις εξερευνήσεις του διαστήματος και την κλιματική αλλαγή».

Μακράς διάρκειας θερμά ηλεκτρόνια εντοπίστηκαν σε «θαυματουργό» ημιαγωγό

Συνάδελφος του Hu, συν-συγγραφέας Άμπι Κάβνερ προσθέτει, «Εάν ισχύει για πλανητικούς εσωτερικούς χώρους, τα ευρήματά μας μπορεί να προτείνουν έναν μηχανισμό για ένα εσωτερικό «θερμικό παράθυρο» – ένα εσωτερικό στρώμα μέσα στον πλανήτη όπου οι μηχανισμοί της ροής θερμότητας είναι διαφορετικοί από αυτούς κάτω και πάνω από αυτόν».

Μπορεί να υπάρχουν άλλα υλικά που βιώνουν το ίδιο φαινόμενο κάτω από ακραίες συνθήκες που παραβιάζουν τους κλασικούς κανόνες, λέει ο Hu. Πράγματι, τα νέα ευρήματα μπορεί να βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέων υλικών για έξυπνα ενεργειακά συστήματα με ενσωματωμένα «παράθυρα πίεσης», έτσι ώστε το σύστημα να ενεργοποιείται μόνο εντός ενός συγκεκριμένου εύρους πίεσης πριν σβήσει αυτόματα αφού φτάσει σε ένα σημείο μέγιστης πίεσης.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/surprising-heat-transfer-behaviour-seen-in-new-semiconductor-under-pressure/