Elektriskt fält anpassar värmetransport i fasta ämnen

Genom att påverka hur fononer färdas genom ett kristallgitter kan ett elektriskt fält börja forma både hastigheten och riktningen för värmetransporten.

Forskare vid Oak Ridge National Laboratory, som arbetar med forskare från Ohio State University och Amphenol Corporation, har visat en metod för att kontrollera värmeflödet i fasta material med hjälp av ett elektriskt fält.Resultaten visar att viss smart keramik kan förändra hur värmebärande vibrationer rör sig genom en kristall, vilket möjliggör elektriskt inställbar termisk transport.

Möjligheten att reglera värmeflödet inuti ett material kan ha praktiska konsekvenser för tekniker där värmehantering är kritisk.Elektriskt kontrollerad värmeledning kan stödja förbättrad kylning i elektroniska system, effektivare solid state-energiomvandling och bättre termisk reglering i chip-skala enheter.Riktningsstyrning av värmetransport kan också gynna applikationer där överskottsvärme begränsar systemets prestanda.

Tillvägagångssättet fungerar genom att modifiera hur atomvibrationer rör sig genom kristallgittret.När ett elektriskt fält appliceras riktas interna laddningar i keramen ut längs fältriktningen.Denna inriktning minskar spridningen av fononer, de mikroskopiska vibrationerna som är ansvariga för att transportera värme genom fasta ämnen.Med färre störningar i deras väg kan vibrationerna förflytta sig längre innan energi försvinner, vilket resulterar i längre fononlivslängder och snabbare värmetransport.

Effekten observeras i en klass av material som kallas relaxorbaserad ferroelektrisk keramik.När de utsätts för ett elektriskt fält kommer deras inre dipoler i linje med en process som kallas poling.Mätningar visar att fononer som rör sig längs fältriktningen kvarstår längre än de som rör sig vinkelrätt mot den, vilket ökar värmeledningsförmågan längs fältriktningen till nästan tre gånger den som observeras över kristallen.Beteendet undersöktes genom experiment utförda vid Spallation Neutron Source med användning av oelastisk neutronspridning för att observera både atomstruktur och dynamisk rörelse i materialet.

Puspa Upreti, en postdoktor vid Oak Ridge National Laboratory, säger att arbetet pekar mot nya möjligheter för att hantera termisk energi i avancerade material."Att kunna styra både hur snabbt och på vilket sätt värmeflöden kan leda till enheter som hanterar termisk energi mycket mer effektivt."