Zaskakujące zachowanie przenoszenia ciepła obserwowane w nowym półprzewodniku pod ciśnieniem

Przewodność cieplna materiałów zwykle wzrasta, gdy są one poddawane działaniu bardzo wysokich ciśnień. Jednak naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angles (UCLA) odkryli, że sytuacja jest odwrotna w przypadku arsenku boru – nowo odkrytego półprzewodnika, który jest bardzo obiecujący w zastosowaniach związanych z zarządzaniem ciepłem i zaawansowanymi urządzeniami elektronicznymi. Odkrycie może zmienić sposób, w jaki myślimy o transporcie ciepła w ekstremalnych warunkach, takich jak te panujące we wnętrzu Ziemi, gdzie bezpośrednie pomiary są niemożliwe.

Naukowcy, kierowani przez Yongjie Hu, przyłożył ciśnienie hydrostatyczne do próbek arsenku boru umieszczonych między dwoma diamentami w komorze kowadełka. Następnie zbadali, jak drgania atomowe sieci krystalicznej (fonony, główny sposób przenoszenia ciepła przez materiały) zmieniały się wraz ze wzrostem ciśnienia do 32 GPa. W tym celu wykorzystali szereg ultraszybkich pomiarów optycznych, w tym spektroskopię Ramana i nieelastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego. Zespół odkrył, że przy ekstremalnie wysokim ciśnieniu – setki razy wyższym niż na dnie oceanu – przewodność cieplna arsenku boru zaczyna spadać.

Hu i współpracownicy, którzy zgłaszają swoją pracę w Natura, przypisują anomalne zachowanie wysokiego ciśnienia, które zaobserwowali, możliwej interferencji spowodowanej konkurencyjnymi sposobami, w jakie ciepło przemieszcza się przez kryształ arsenku boru w miarę wzrostu ciśnienia. W tym przypadku konkurencja toczy się między procesami rozpraszania trójfononowego i czterofononowego. W większości powszechnych materiałów obserwuje się odwrotny efekt: gdy ciśnienie ściska atomy bliżej siebie, ciepło przepływa przez strukturę szybciej, atom po atomie.

Mechanizm wewnętrznego okna termicznego

Wyniki sugerują również, że przewodność cieplna materiałów może osiągnąć maksimum po progowym zakresie ciśnienia. „Jesteśmy bardzo podekscytowani widząc, jak to odkrycie łamie ogólną zasadę wymiany ciepła w ekstremalnych warunkach i wskazuje na nowe fundamentalne możliwości” – mówi Hu. Świat Fizyki, „Badanie może również wpłynąć na nasze ugruntowane rozumienie dynamicznych zachowań, takich jak wnętrza planet. Mogą mieć nawet implikacje dla eksploracji kosmosu i zmian klimatu”.

Długowieczne gorące elektrony zauważone w „cudownym” półprzewodniku

Kolega Hu, współautor Abby Kavner dodaje: „Jeśli ma to zastosowanie do wnętrz planet, nasze odkrycia mogą sugerować mechanizm wewnętrznego„ okna termicznego ” – wewnętrznej warstwy w obrębie planety, w której mechanizmy przepływu ciepła różnią się od tych poniżej i powyżej”.

Hu mówi, że mogą istnieć inne materiały doświadczające tego samego zjawiska w ekstremalnych warunkach, które łamią klasyczne zasady. Rzeczywiście, nowe odkrycia mogą pomóc w opracowaniu nowatorskich materiałów do inteligentnych systemów energetycznych z wbudowanymi „oknami ciśnieniowymi”, tak aby system włączał się tylko w określonym zakresie ciśnienia, zanim wyłączał się automatycznie po osiągnięciu maksymalnego punktu ciśnienia.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• Platoblockchain. Web3 Inteligencja Metaverse. Wzmocniona wiedza. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/surprising-heat-transfer-behaviour-seen-in-new-semiconductor-under-pressure/