Een nieuw theoretisch raamwerk ontwikkeld door natuurkundigen van het Georgia Institute of Technology werpt nieuw licht op hoe warmte door vaste stoffen beweegt en biedt een mogelijke verklaring voor de mysterieuze eigenschappen van thermisch transport in bepaalde materialen.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, biedt een manier om het gedrag van thermisch transport in isolatoren en halfgeleiders te begrijpen wanneer ze worden blootgesteld aan extreme omstandigheden zoals hoge temperaturen of druk.

De studie biedt ook inzicht in het ontwerp van thermo-elektrische materialen van de volgende generatie, die kunnen worden gebruikt om thermische energie efficiënt om te zetten in elektrische energie.

"Wat we hier hebben laten zien is een nieuwe manier om na te denken over thermisch transport in isolatoren en halfgeleiders", zegt dr. Joshua Kretchmer, assistent-professor aan de School of Physics van Georgia Tech en hoofdauteur van het onderzoek. "Onze resultaten kunnen leiden tot nieuwe materialen met verbeterde thermische eigenschappen en de weg vrijmaken voor efficiëntere energieconversie."

Een van de belangrijkste bevindingen van het onderzoek is de rol van "quasideeltjes" bij het transport van warmte in vaste stoffen. Deze quasideeltjes zijn excitaties in het kristalrooster die zich gedragen als deeltjes, maar het zijn geen echte, waarneembare objecten.

In conventionele materialen wordt het warmtetransport vaak gedomineerd door de trillingen van atomen in het kristalrooster, dat kan worden gezien als een reeks veren en massa's. In sommige materialen, zoals die welke worden gebruikt in thermo-elektrische apparaten, wordt het warmtetransport echter gedomineerd door de beweging van quasideeltjes, zoals elektronen of gaten.

De onderzoekers ontdekten dat de interactie tussen deze quasideeltjes en de atomaire trillingen een cruciale rol speelt bij het bepalen van de thermische transporteigenschappen van een materiaal. Ze ontdekten met name dat wanneer de interactie sterk is, het warmtetransport wordt verminderd.

"Ons werk laat zien dat de wisselwerking tussen quasideeltjes en trillingen ongelooflijk belangrijk is voor het begrijpen van thermisch transport in vaste stoffen", aldus Dr. Kretchmer. "Door deze interactie te beheersen, kunnen we mogelijk materialen ontwerpen met een veel hogere of lagere thermische geleidbaarheid, afhankelijk van de gewenste toepassing."

Dr. Kretchmer en zijn team werken er nu aan om het theoretische raamwerk toe te passen op het ontwerp van nieuwe thermo-elektrische materialen en om de thermische transporteigenschappen van andere materialen, zoals topologische isolatoren en supergeleiders, te begrijpen.