In de nieuwste rimpel die is ontdekt in kubisch boorarsenide, het ongebruikelijke materiaal is in tegenspraak met de traditionele regels die de warmtegeleiding regelen, volgens een nieuw rapport van Boston College-onderzoekers in de huidige editie van het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Gebruikelijk, wanneer een materiaal wordt samengeperst, het wordt een betere warmtegeleider. Dat werd voor het eerst gevonden in studies ongeveer een eeuw geleden. In boorarsenide, het onderzoeksteam ontdekte dat wanneer het materiaal wordt samengeperst, de geleidbaarheid eerst verbetert en vervolgens verslechtert.

De verklaring is gebaseerd op een ongebruikelijke concurrentie tussen verschillende processen die hittebestendigheid bieden, volgens de co-auteurs Professor David Broido en Navaneetha K. Ravichandran, een postdoctoraal onderzoeker, van het departement Natuurkunde aan het Boston College. Dit soort gedrag is nog nooit eerder voorspeld of waargenomen.

De bevindingen zijn consistent met de onconventionele hoge thermische geleidbaarheid die Broido, een theoretisch fysicus, en collega's hebben eerder geïdentificeerd in kubisch boorarsenide.

Ravichandran's berekeningen toonden aan dat bij compressie, het materiaal geleidt warmte eerst beter, vergelijkbaar met de meeste materialen. Maar naarmate de compressie toeneemt, het vermogen van boorarsenide om warmte te geleiden verslechtert, de co-auteurs schrijven in het artikel, getiteld "Niet-monotone drukafhankelijkheid van de thermische geleidbaarheid van boorarsenide."

Dergelijk vreemd gedrag komt voort uit de ongebruikelijke manier waarop warmte wordt getransporteerd in boorarsenide, een elektrisch isolerend kristal waarin warmte wordt gedragen door fononen - trillingen van de atomen waaruit het kristal bestaat, zei Broido. "Weerstand tegen de warmtestroom in materialen zoals boorarsenide wordt veroorzaakt door botsingen tussen fononen, " hij voegde toe.

De kwantumfysica laat zien dat deze botsingen plaatsvinden tussen ten minste drie fononen tegelijk, hij zei. Al decenia, was aangenomen dat alleen botsingen tussen drie fononen belangrijk waren, vooral voor goede warmtegeleiders.

Kubisch boorarsenide is ongebruikelijk omdat de meeste warmte wordt getransporteerd door fononen die zelden in drielingen botsen, een functie die enkele jaren geleden werd voorspeld door Broido en medewerkers, waaronder Lucas Lindsay van het Oak Ridge National Laboratory en Tom Reinecke van het Naval Research Lab.

In feite, botsingen tussen drie fononen zijn zo zeldzaam in boorarsenide dat die tussen vier fononen, waarvan verwacht werd dat het verwaarloosbaar zou zijn, concurreren om het transport van warmte te beperken, zoals aangetoond door andere theoretici, en door Broido en Ravichandran in eerdere publicaties.

Als gevolg van dergelijke zeldzame botsingsprocessen tussen fonon-tripletten, kubisch boorarsenide is een uitstekende warmtegeleider gebleken, zoals bevestigd door recente metingen.

Op basis van deze laatste inzichten, Ravichandran en Broido hebben aangetoond dat door hydrostatische druk toe te passen, de concurrentie tussen drie-phonon en vier-phonon botsingen kan, in feite, in het materiaal worden gemoduleerd.

"Als boorarsenide wordt gecomprimeerd, verrassend genoeg, botsingen met drie fononen komen vaker voor, terwijl interacties met vier fononen minder frequent worden, waardoor de thermische geleidbaarheid eerst toeneemt en vervolgens afneemt, " zei Ravichandran. "Zulke concurrerende reacties van botsingen met drie fononen en vier fononen op uitgeoefende druk is nooit voorspeld of waargenomen in enig ander materiaal. ".

Het werk van de theoretici, ondersteund door een Multi-University Research Initiative-beurs van het Office of Naval Research, zal naar verwachting worden opgenomen door experimentatoren om het concept te bewijzen, zei Broido.

"Deze wetenschappelijke voorspelling wacht op bevestiging van meting, maar de gebruikte theoretische en computationele benaderingen zijn nauwkeurig gebleken uit vergelijkingen met metingen op veel andere materialen, dus we zijn ervan overtuigd dat experimenten gedrag zullen meten dat vergelijkbaar is met wat we hebben gevonden", aldus Broido.

"Breder, de theoretische benadering die we hebben ontwikkeld, kan ook nuttig zijn voor studies van de lagere aardmantel waar zeer hoge temperaturen en drukken kunnen optreden, " zei Ravichandran. "Omdat het verkrijgen van experimentele gegevens diep in de aarde een uitdaging is, ons voorspellende rekenmodel kan helpen nieuwe inzichten te geven in de aard van de warmtestroom bij de extreme temperatuur- en drukomstandigheden die daar bestaan."