Исследователи предсказывают, а затем доказывают странные твердотельные тепловые переключатели

Открытие было основано на полезной, но сбивающей с толку идее о квазичастицах, которые действуют так, как будто они существуют, но на самом деле их нет. В твердом теле есть только три типа частиц: протоны, нейтроны и электроны. Когда эти отдельные частицы упакованы вместе в твердое тело, их чрезвычайно трудно предсказать, поскольку движение каждой из них напрямую зависит от всех остальных в массивно-хаотической задаче о множестве тел.

Но, несмотря на безумную сложность, в этих системах есть наблюдаемые эмерджентные паттерны, которые ведут себя гораздо проще, как если бы они были частицами, не взаимодействующими со всем, что их окружает. Исследователи обнаружили некоторое их количество в различных системах и назвали их квазичастицами. По сути, это математические инструменты, которые позволяют ученым работать с простыми моделями поведения, возникающими в хаотических системах.

Соответствующей квазичастицей в этом случае является феррон, который, как предполагалось, существует в сегнетоэлектрических материалах, подмножестве пьезоэлектрических материалов. Пьезоэлектрики — это материалы, которые генерируют переменное напряжение при вибрации или нагрузке, или вибрируют при воздействии внешнего переменного напряжения. Например, в некоторых микрофонах используются пьезоэлектрические компоненты для преобразования звуковых волн в электрические сигналы. Сегнетоэлектрики - это пьезоэлектрики, которые также демонстрируют электрическую поляризацию, которую можно обратить вспять приложением электрического поля.

Ферронов, как и других квазичастиц, не существует. Но они описывают волны, которые проходят через сегнетоэлектрические материалы, несущие как тепло, так и поляризацию, которые распространяются предсказуемым образом, даже если реальность каждой частицы в матрице намного сложнее.

Исследователи из штата Огайо предсказали, а затем попытались подтвердить поведение ферронов, используя обычную керамику из титаната свинца и циркония в качестве сегнетоэлектрического материала. Их теория: когда электрическое поле используется для возбуждения пьезоэлектрических колебаний в сегнетоэлектрическом материале, эти колебания изменяют теплопроводность материала.

«Мы выяснили, что это изменение положения этих атомов и изменение характера колебаний должно нести тепло, и поэтому внешнее поле, которое изменяет эту вибрацию, должно влиять на теплопроводность», — сказал Джозеф Хереманс, старший автор нового исследования, опубликованного в журнале Science Advances.

«Феррон также чувствителен к деформации в твердом теле», продолжил он. «Поскольку феррон переносит тепло, это делает количество переносимого тепла зависимым от электрического поля. Поэтому мы написали новую теорию, которая связывает внешнее электрическое поле, напряжение, которое оно вызывает в сегнетоэлектрике, и как это напряжение влияет на теплопроводность».

Тестирование подтвердило их прогнозы — хотя и в довольно мягком эффекте. Приложение электрического поля к керамике дало 2%-ую разницу между ее максимальной и минимальной теплопроводностью. «Любое применение зависит от того, найдем ли мы материал, в котором эффект будет намного больше», — сказал Хереманс. «Мы ищем материалы с нужными параметрами». Теория предсказывает, что будут другие материалы, способные изменять теплопроводность на целых 15%.

Потенциальным результатом здесь является новый тип теплового выключателя, который работает без движущихся частей в диапазоне температур. Большинство современных технологий основаны либо на механических клапанах, которые со временем выходят из строя, либо на чрезвычайно низких или очень специфических температурах для проявления каких-либо полезных эффектов.

Это может привести к радикальному скачку эффективности термоэлектрических систем, преобразующих тепло в электричество. «Термодинамическая эффективность схемы выработки электроэнергии критически зависит от разницы температур между горячим и холодным тепловыми резервуарами», — сказал Хереманс. «С помощью теплового выключателя и системы накопления тепла можно поддерживать температуру аккумулирующей среды намного выше средней температуры горячего источника и близкой к ее максимуму, что может удвоить тепловую эффективность системы».

Статья находится в открытом доступе в журнале Science Advances.