Comportamento surpreendente de transferência de calor visto em novo semicondutor sob pressão

A condutividade térmica dos materiais geralmente aumenta quando estão sujeitos a pressões muito elevadas. Mas pesquisadores da Universidade da Califórnia, Los Angles (UCLA) descobriram que o oposto é verdadeiro para o arsenieto de boro – um semicondutor recém-descoberto que se mostra muito promissor para aplicações de gerenciamento de calor e dispositivos eletrônicos avançados. A descoberta pode mudar a maneira como pensamos sobre o transporte de calor em condições extremas, como as encontradas no interior da Terra, onde medições diretas são impossíveis.

Os pesquisadores, liderados por Yongjie Hu, aplicou pressão hidrostática a amostras de arsenieto de boro colocadas entre dois diamantes em uma célula de bigorna. Eles então examinaram como as vibrações atômicas da rede cristalina (fônons, a principal maneira pela qual o calor é transportado pelos materiais) mudavam com pressões crescentes de até 32 GPa. Para fazer isso, eles empregaram uma variedade de medições ópticas ultrarrápidas, incluindo espectroscopia Raman e espalhamento inelástico de raios-X. A equipe descobriu que sob pressão extremamente alta – centenas de vezes maior do que a encontrada no fundo do oceano – a condutividade térmica do arsenieto de boro começa a diminuir.

Hu e seus colegas, que relatam seu trabalho em Natureza, atribuem o comportamento anômalo de alta pressão que observaram a uma possível interferência causada pelas formas concorrentes pelas quais o calor viaja através do cristal de arsenieto de boro à medida que a pressão aumenta. Neste caso, a competição é entre processos de espalhamento de três fônons e quatro fônons. Na maioria dos materiais comuns, observa-se o efeito oposto: à medida que a pressão aproxima os átomos, o calor se move pela estrutura mais rapidamente, átomo por átomo.

Um mecanismo para uma janela térmica interna

Os resultados também sugerem que a condutividade térmica dos materiais pode atingir um máximo após uma faixa de pressão limite. “Estamos muito empolgados em ver essa descoberta quebrando a regra geral de transferência de calor em condições extremas e aponta para novas possibilidades fundamentais”, diz Hu Mundo da física, “O estudo também pode impactar nossa compreensão estabelecida de comportamentos dinâmicos, como o interior dos planetas. Pode até haver implicações para explorações espaciais e mudanças climáticas”.

Elétrons quentes de vida longa são vistos em semicondutor 'maravilhoso'

colega de Hu, co-autor Abby Kavner acrescenta: “Se aplicável aos interiores planetários, nossas descobertas podem sugerir um mecanismo para uma 'janela térmica' interna – uma camada interna dentro do planeta onde os mecanismos de fluxo de calor são diferentes daqueles abaixo e acima dele.”

Pode haver outros materiais experimentando o mesmo fenômeno sob condições extremas que quebram as regras clássicas, diz Hu. De fato, as novas descobertas podem ajudar no desenvolvimento de novos materiais para sistemas de energia inteligentes com “janelas de pressão” integradas, de modo que o sistema só ligue dentro de uma determinada faixa de pressão antes de desligar automaticamente após atingir um ponto de pressão máxima.

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