Modern onderzoek heeft geen eenvoudige, goedkope manier om de thermische geleidbaarheid van een materiaal bij kamertemperatuur te veranderen.

Dat gebrek aan controle heeft het moeilijk gemaakt om nieuwe klassen apparaten te maken die fononen gebruiken - de agenten van thermische geleidbaarheid - in plaats van elektronen of fotonen om energie te verzamelen of informatie over te dragen. Fononen - atomaire trillingen die warmte-energie in vaste stoffen transporteren met snelheden tot de snelheid van het geluid - zijn moeilijk te benutten gebleken.

Nutsvoorzieningen, met alleen een 9-volt batterij bij kamertemperatuur, een team onder leiding van Jon Ihlefeld, onderzoeker van Sandia National Laboratories, heeft de thermische geleidbaarheid van het veelgebruikte materiaal PZT (loodzirkonaattitanaat) met maar liefst 11 procent veranderd op een tijdschaal van minder dan een seconde. Ze deden het zonder hun toevlucht te nemen tot dure operaties zoals het veranderen van de samenstelling van het materiaal of het forceren van faseovergangen naar andere toestanden van materie.

PZT, hetzij als keramiek of als dunne film, wordt gebruikt in een breed scala aan apparaten, variërend van harde schijven van computers, drukknopvonken voor barbecueroosters, speed-pass transponders bij tolhuisjes op snelwegen en vele micro-elektromechanische ontwerpen.

"We kunnen de thermische geleidbaarheid van PZT over een breed temperatuurbereik veranderen, in plaats van alleen bij de cryogene temperaturen bereikt door andere onderzoeksgroepen, "zei Ihlefeld. "En we kunnen het omkeerbaar doen:als we onze spanning loslaten, de thermische geleidbaarheid keert terug naar zijn oorspronkelijke waarde."

Het werk werd uitgevoerd op materialen met dicht bij elkaar liggende interne interfaces - zogenaamde domeinmuren - die in eerdere decennia niet beschikbaar waren. De nauwe tussenruimte zorgt voor een betere controle van de fonon-passage.

"We hebben laten zien dat we kristallijne materialen kunnen maken met interfaces die kunnen worden gewijzigd met een elektrisch veld. Omdat deze interfaces fononen verstrooien, " zei Ihlefeld, "we kunnen de thermische geleidbaarheid van een materiaal actief veranderen door simpelweg hun concentratie te veranderen. We denken dat dit baanbrekende werk het gebied van phononics zal bevorderen."

De onderzoekers, ondersteund door Sandia's Laboratory Directed Research and Development kantoor, het Air Force Office of Scientific Research, en de National Science Foundation, gebruikten een scanning-elektronenmicroscoop en een atoomkrachtmicroscoop om te observeren hoe de domeinwanden van subsecties van het materiaal in lengte en vorm veranderden onder invloed van een elektrische spanning. Het is deze verandering die het transport van fononen in het materiaal controleerbaar veranderde.

"De echte prestatie in ons werk, " zei Ihlefeld, "is dat we een middel hebben aangetoond om de hoeveelheid warmte die bij kamertemperatuur door een materiaal gaat, te regelen door er eenvoudig een spanning over aan te leggen. We hebben aangetoond dat we actief kunnen regelen hoe goed warmte - fononen - door het materiaal geleiden. "

Ihlefeld wijst erop dat actieve controle van elektronen- en fotontransport heeft geleid tot technologieën die tegenwoordig als vanzelfsprekend worden beschouwd in de informatica, wereldwijde communicatie en andere gebieden.

"Voordat het vermogen om deze deeltjes en golven te beheersen bestond, het was waarschijnlijk moeilijk om zelfs maar te dromen van technologieën met elektronische computers en lasers. En voorafgaand aan onze demonstratie van een vaste stof, snel, kamertemperatuur betekent om de thermische geleidbaarheid te veranderen, analoge middelen om het transport van fononen te regelen hebben niet bestaan. We zijn van mening dat ons resultaat nieuwe technologieën mogelijk zal maken waarbij het controleren van fononen noodzakelijk is, " hij zei.