Sorprendente comportamento di trasferimento del calore visto nel nuovo semiconduttore sotto pressione

La conducibilità termica dei materiali di solito aumenta quando sono soggetti a pressioni molto elevate. Ma i ricercatori dell'Università della California, Los Angles (UCLA) hanno scoperto che è vero il contrario per l'arseniuro di boro, un semiconduttore scoperto di recente che mostra molte promesse per applicazioni di gestione del calore e dispositivi elettronici avanzati. La scoperta potrebbe cambiare il modo in cui pensiamo al trasporto di calore in condizioni estreme, come quelle che si trovano all'interno della Terra, dove le misurazioni dirette sono impossibili.

I ricercatori, guidati da Yongjie Hu, ha applicato una pressione idrostatica a campioni di arseniuro di boro posti tra due diamanti in una cella a incudine. Hanno quindi esaminato come le vibrazioni atomiche del reticolo cristallino (fononi, il modo principale con cui il calore viene trasportato attraverso i materiali) cambiassero con pressioni crescenti fino a 32 GPa. Per fare ciò, hanno utilizzato una varietà di misurazioni ottiche ultraveloci, tra cui la spettroscopia Raman e la diffusione inelastica di raggi X. Il team ha scoperto che a pressioni estremamente elevate, centinaia di volte superiori a quelle che si trovano sul fondo dell'oceano, la conduttività termica dell'arseniuro di boro inizia a diminuire.

Hu e colleghi, che riportano il loro lavoro in Natura, attribuiscono il comportamento anomalo ad alta pressione che hanno osservato a una possibile interferenza causata dai modi concorrenti in cui il calore viaggia attraverso il cristallo di arseniuro di boro quando la pressione aumenta. In questo caso, la competizione è tra processi di scattering a tre e quattro fononi. Nella maggior parte dei materiali comuni si osserva l'effetto opposto: mentre la pressione comprime gli atomi più vicini, il calore si muove più velocemente attraverso la struttura, atomo dopo atomo.

Un meccanismo per una finestra termica interna

I risultati suggeriscono anche che la conducibilità termica dei materiali può raggiungere un massimo dopo un intervallo di pressione soglia. "Siamo molto entusiasti di vedere questa scoperta infrangere la regola generale del trasferimento di calore in condizioni estreme e indica nuove possibilità fondamentali", dice Hu Mondo della fisica, “Lo studio potrebbe anche avere un impatto sulla nostra comprensione consolidata dei comportamenti dinamici come per gli interni dei pianeti. Potrebbero anche esserci implicazioni per le esplorazioni nello spazio e il cambiamento climatico».

Elettroni caldi di lunga durata individuati nel semiconduttore "meraviglioso".

Collega di Hu, coautore Abby Kavner aggiunge: "Se applicabile agli interni planetari, le nostre scoperte potrebbero suggerire un meccanismo per una 'finestra termica' interna - uno strato interno all'interno del pianeta in cui i meccanismi del flusso di calore sono diversi da quelli sotto e sopra di esso".

Potrebbero esserci altri materiali che sperimentano lo stesso fenomeno in condizioni estreme che infrangono le regole classiche, dice Hu. In effetti, le nuove scoperte potrebbero aiutare nello sviluppo di nuovi materiali per sistemi energetici intelligenti con "finestre di pressione" integrate in modo che il sistema si accenda solo entro un determinato intervallo di pressione prima di spegnersi automaticamente dopo aver raggiunto un punto di pressione massima.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/surprising-heat-transfer-behaviour-seen-in-new-semiconductor-under-pressure/