Kvanttiaskel lämpökytkimelle

Kuvan kartiot havainnollistavat elektronien liikeyhtälöitä, kun ulkoinen magneettikenttä kohdistetaan tutkimuksessa suunnitellulle vismuttiseokselle. Vihreät ja violetit viivat edustavat elektroneja, jotka tuottavat ja absorboivat vastaavasti energiaa.

Näin helteiden jatkuessa voi lohduttautua sillä, että Ohion yliopiston tutkijat ovat löytäneet uuden elektronisen omaisuuden lämpö- ja kvanttitieteiden rajalta. Erityisesti suunnitellussa metalliseoksessa he ovat tunnistaneet lupaavan materiaalin tuleville laitteille, jotka voisivat kytkeä lämmön päälle ja pois päältä soveltamalla magneettista "kytkintä".

Kehitetyssä materiaalissa elektronit liikkuvat kuin massattomat fotonit. Seos valmistettiin vismutin ja antimonin alkuaineista tarkoilla seossuhteilla tietyn perustavan teorian perusteella.

Havaittiin, että ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta nämä oudosti käyttäytyvät elektronit manipuloivat lämpöä tavoilla, joita ei näy normaaleissa olosuhteissa. Sekä materiaalin kuumalla että kylmällä puolella jotkut elektronit tuottavat lämpöä tai energiaa, kun taas toiset absorboivat energiaa, mikä muuttaa materiaalin tehokkaasti energiapumpuksi. Tulos: sen lämmönjohtavuus kasvaa 300%. Kun magneettikenttä otetaan pois mekanismi sammuu.

"Generointi ja absorbointi muodostavat poikkeavuuden", kertoo professori Joseph Heremans. "Lämpö katoaa ja ilmestyy uudelleen muualle - se on kuin teleportointi. Se tapahtuu vain hyvin erityisissä olosuhteissa, jotka kvanttiteoria ennustaa."

Tämä ominaisuus ja yksinkertaisuus hallita sitä magneetilla tekee materiaalista toivotun ehdokkaan lämpökytkimeksi ilman liikkuvia osia.

"Puolijohteiset lämpökytkimet ilman liikkuvia osia ovat erittäin toivottavia, mutta niitä ei ole olemassa", Heremans toteaa. "Tämä on yksi mahdollisista mekanismeista, jotka johtavat sellaiseen."

Topologinen eriste vismuttiantimoniseos kuuluu kvanttimateriaalien luokkaan nimeltä Weyl-semimetallit - joiden elektronit eivät toimi odotetulla tavalla. Niille on ominaista, että elektronit ja aukot käyttäytyvät "massattomina" hiukkasina.

Fysiikassa poikkeama - tässä tutkimuksessa löydetty lämmön elektronien generoituminen ja absorboituminen - viittaa tiettyihin symmetrioihin, joita esiintyy klassisessa maailmassa, mutta jotka ovat rikkoutuneet kvanttimaailmassa, kertoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Nandini Trivedi.

Kun kuparin kaltaista metallia kuumennetaan ja elektronit virtaavat kuumasta päästä kylmään päähän sekä lämpö että varaus liikkuvat yhdessä. Kun tämä tie avautuu kokeellisessa Weyl-semimetallimateriaalissa, nettovarausten liikettä ei ole – on vain energian liikettä.

Lämmön absorboituminen tietyissä elektroneissa edustaa katkosta kiraalisuudessa tai suuntauksessa, mikä tarkoittaa, että on mahdollista pumpata energiaa kahden hiukkasen välillä, joiden ei odoteta olevan vuorovaikutuksessa - toinen Weylin puolimetallien erityinen ominaisuus.

Tämän materiaalin mekanismi toimii vain matalassa lämpötilassa, alle miinus 73 Celsius-astetta. Nyt kun perustiedot on ymmärretty, tutkijoilla on paljon vaihtoehtoja työskennellessään kohti potentiaalisia sovelluksia.

Aiheesta aiemmin:

Lämpökytkin polymeeristä

Tutkijat kehittävät elektroniikan lämpökytkintä

Yllätys lämmönsiirrossa voi johtaa lämpötransistoreihin