Perilaku perpindahan panas yang mengejutkan terlihat pada semikonduktor baru di bawah tekanan

Perilaku perpindahan panas yang mengejutkan terlihat pada semikonduktor baru di bawah tekanan

Stempel Waktu: 27 Januari 2023 4

Pada tekanan yang sangat tinggi – ratusan kali lebih tinggi dari yang ditemukan di dasar lautan – konduktivitas termal boron arsenide mulai menurun
Perpindahan panas di bawah tekanan: Kristal arsenida boron ditempatkan di antara dua berlian di ruang yang dikontrol dengan energi panas yang diangkut di bawah tekanan ekstrem. (Sumber: Y Hu)

Konduktivitas termal suatu bahan biasanya meningkat bila bahan tersebut terkena tekanan yang sangat tinggi. Namun para peneliti di Universitas California, Los Angles (UCLA) telah menemukan bahwa kebalikannya berlaku untuk boron arsenide – semikonduktor yang baru ditemukan yang menunjukkan banyak harapan untuk aplikasi manajemen panas dan perangkat elektronik canggih. Temuan ini dapat mengubah cara berpikir kita tentang perpindahan panas dalam kondisi ekstrem, seperti yang ditemukan di interior Bumi, di mana pengukuran langsung tidak mungkin dilakukan.

Para peneliti yang dipimpin oleh Yongjie Hu, menerapkan tekanan hidrostatik ke sampel boron arsenida yang ditempatkan di antara dua intan dalam sel landasan. Mereka kemudian memeriksa bagaimana getaran atom kisi kristal (fonon, cara utama panas dibawa melalui bahan) berubah dengan tekanan yang meningkat hingga 32 GPa. Untuk melakukan ini, mereka menggunakan berbagai pengukuran optik ultracepat, termasuk spektroskopi Raman dan hamburan sinar-X inelastis. Tim menemukan bahwa pada tekanan yang sangat tinggi – ratusan kali lebih tinggi daripada yang ditemukan di dasar lautan – konduktivitas termal boron arsenide mulai menurun.

Hu dan rekannya, yang melaporkan pekerjaan mereka di Alam, mengaitkan perilaku tekanan tinggi anomali yang mereka amati dengan kemungkinan interferensi yang disebabkan oleh persaingan cara panas mengalir melalui kristal boron arsenida saat tekanan meningkat. Dalam hal ini, kompetisi terjadi antara proses hamburan tiga fonon dan empat fonon. Pada sebagian besar bahan umum, efek sebaliknya diamati: ketika tekanan meremas atom lebih dekat, panas bergerak lebih cepat melalui struktur, atom demi atom.

Mekanisme untuk jendela termal internal

Hasil juga menunjukkan bahwa konduktivitas termal bahan dapat mencapai maksimum setelah rentang tekanan ambang batas. “Kami sangat senang melihat temuan ini melanggar aturan umum perpindahan panas dalam kondisi ekstrem dan menunjukkan kemungkinan fundamental baru,” kata Hu. Dunia Fisika, “Studi ini juga dapat memengaruhi pemahaman kita tentang perilaku dinamis seperti interior planet. Bahkan mungkin ada implikasi untuk eksplorasi luar angkasa dan perubahan iklim.”

Kolega Hu, rekan penulis Abby Kavner menambahkan, "Jika berlaku untuk interior planet, temuan kami mungkin menyarankan mekanisme 'jendela termal' internal - lapisan internal di dalam planet di mana mekanisme aliran panas berbeda dari yang di bawah dan di atasnya."

Mungkin ada bahan lain yang mengalami fenomena yang sama di bawah kondisi ekstrem yang melanggar aturan klasik, kata Hu. Memang, temuan baru ini dapat membantu dalam pengembangan material baru untuk sistem energi pintar dengan “jendela tekanan” bawaan sehingga sistem hanya menyala dalam kisaran tekanan tertentu sebelum mati secara otomatis setelah mencapai titik tekanan maksimum.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika