Onderzoekers hebben een nieuwe elektronische eigenschap ontdekt op de grens tussen de thermische en kwantumwetenschappen in een speciaal ontworpen metaallegering - en hebben daarbij een veelbelovend materiaal geïdentificeerd voor toekomstige apparaten die warmte kunnen in- en uitschakelen met de toepassing van een magnetische "schakelaar. "

In dit materiaal, elektronen, die een massa hebben in vacuüm en in de meeste andere materialen, bewegen als massaloze fotonen of licht - een onverwacht gedrag, maar een fenomeen waarvan theoretisch voorspeld was dat het hier zou bestaan. De legering is ontwikkeld met de elementen bismut en antimoon in precieze bereiken op basis van de fundamentele theorie.

Onder invloed van een extern magnetisch veld, vonden de onderzoekers, deze vreemd gedragen elektronen manipuleren warmte op manieren die onder normale omstandigheden niet worden gezien. Aan zowel de warme als koude kanten van het materiaal, sommige elektronen genereren warmte, of energie, terwijl anderen energie absorberen, waardoor het materiaal effectief wordt omgezet in een energiepomp. Het resultaat:300% hogere thermische geleidbaarheid.

Haal de magneet weg, en het mechanisme is uitgeschakeld.

"De generatie en absorptie vormen de anomalie, " zei senior auteur Joseph Heremans, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek en Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology aan de Ohio State University. "De hitte verdwijnt en verschijnt elders weer - het is als teleportatie. Het gebeurt alleen onder zeer specifieke omstandigheden die worden voorspeld door de kwantumtheorie."

Dit pand, en de eenvoud van het besturen met een magneet, maakt het materiaal een wenselijke kandidaat als warmteschakelaar zonder bewegende delen, vergelijkbaar met een transistor die elektrische stroom schakelt of een kraan die water schakelt, die computers kunnen koelen of de efficiëntie van thermische zonne-energiecentrales kunnen verhogen.

"Solid-state warmteschakelaars zonder bewegende delen zijn uiterst wenselijk, maar ze bestaan ​​niet "Zei Heremans. "Dit is een van de mogelijke mechanismen die er toe zouden kunnen leiden."

Het onderzoek is vandaag (7 juni, 2021) in het tijdschrift Natuurmaterialen .

De bismut-antimoonlegering behoort tot een klasse van kwantummaterialen die Weyl-halfmetalen worden genoemd, waarvan de elektronen zich niet gedragen zoals verwacht. Ze worden gekenmerkt door eigenschappen die negatief en positief geladen deeltjes bevatten, elektronen en gaten, respectievelijk, die zich gedragen als "massaloze" deeltjes. Ook onderdeel van een groep genaamd topologische materialen, hun elektronen reageren alsof het materiaal interne magnetische velden bevat die het mogelijk maken om nieuwe paden te creëren waarlangs die deeltjes bewegen.

in de natuurkunde, een anomalie - het genereren en absorberen van warmte door elektronen die in deze studie is ontdekt - verwijst naar bepaalde symmetrieën die aanwezig zijn in de klassieke wereld, maar worden verbroken in de kwantumwereld, zei co-auteur van de studie Nandini Trivedi, hoogleraar natuurkunde aan de staat Ohio.

Bismutlegeringen en andere soortgelijke materialen hebben ook klassieke geleiding zoals de meeste metalen, waardoor trillende atomen in een kristalrooster en de beweging van elektronen warmte transporteren. Trivedi beschreef het nieuwe pad waarlangs lichtachtige elektronen warmte onderling manipuleren als een snelweg die uit het niets lijkt te verschijnen.

"Stel je voor dat je in een kleine stad woonde met kleine wegen, en plotseling is er een snelweg die opengaat, " zei ze. "Dit specifieke pad gaat alleen open als je een thermische gradiënt in één richting en een magnetisch veld in dezelfde richting toepast. Je kunt de snelweg dus gemakkelijk afsluiten door het magnetische veld in een loodrechte richting te zetten.

"Zulke snelwegen bestaan ​​niet in gewone metalen."

Wanneer een metaal zoals koper wordt verwarmd en elektronen van het hete uiteinde naar het koude uiteinde stromen, zowel de warmte als de lading bewegen samen. Vanwege de manier waarop deze snelweg opent in het experimentele Weyl-halfmetaal, er is geen netto ladingsbeweging - alleen energiebeweging. De absorptie van warmte door bepaalde elektronen vertegenwoordigt een breuk in chiraliteit, of directionaliteit, wat betekent dat het mogelijk is om energie tussen twee deeltjes te pompen waarvan niet wordt verwacht dat ze op elkaar inwerken - een ander kenmerk van Weyl-halfmetalen.

De theoretische natuurkundigen en ingenieurs die aan deze studie meewerkten, voorspelden dat deze eigenschappen bestonden in specifieke bismutlegeringen en andere topologische materialen. Voor deze experimenten is de wetenschappers construeerden de gespecialiseerde legering om hun voorspellingen te testen.

"We hebben hard gewerkt om het juiste materiaal te synthetiseren, die van de grond af door ons is ontworpen om dit effect te laten zien. Het was belangrijk om het te zuiveren tot ver onder de niveaus van onzuiverheden die je in de natuur vindt, " zei Heremans. Zoals samengesteld, de legering minimaliseerde achtergrondgeleiding, zodat de onderzoekers het gedrag van de massaloze elektronen konden detecteren, bekend als Weyl Fermions.

"In gewone materialen, elektronen slepen een kleine magneet met zich mee. Echter, de eigenaardige elektronische structuur van deze bismutlegeringen zorgt ervoor dat de elektronen rond een magneet slepen die bijna 50 keer groter is dan normaal, " zei Michael Flatté, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Iowa en co-auteur van een studie. "Door deze enorme subatomaire magneten kon de nieuwe elektronische toestand worden gevormd met behulp van magnetische laboratoriumvelden.

"Deze resultaten laten zien dat theorieën die zijn ontwikkeld voor hoge-energiefysica en subatomaire deeltjestheorieën vaak kunnen worden gerealiseerd in speciaal ontworpen elektronische materialen."

Zoals alles kwantum, Heremans zei, "wat we zagen lijkt een beetje op magie, maar dat is wat onze vergelijkingen zeggen dat het zou moeten doen en dat is wat we experimenteel hebben bewezen dat het dat doet."

Eén vangst:het mechanisme in dit materiaal werkt alleen bij een lage temperatuur, onder min 100 graden Fahrenheit. Met de fundamenten nu begrepen, de onderzoekers hebben veel opties terwijl ze werken aan mogelijke toepassingen.

"Nu weten we naar welke materialen we moeten zoeken en welke zuiverheid we nodig hebben, "Zei Heremans. "Zo komen we van de ontdekking van een natuurkundig fenomeen tot een technisch materiaal."