電場は固体内の熱輸送を調整する

電場は、フォノンが結晶格子を通過する方法に影響を与えることにより、熱輸送の速度と方向の両方を形成し始める可能性があります。

オークリッジ国立研究所の研究者らは、オハイオ州立大学およびアンフェノール社の科学者と協力して、電場を使用して固体材料内の熱流を制御する方法を実証した。この研究結果は、特定のスマート セラミックが熱を運ぶ振動が結晶内を移動する方法を変更し、電気的に調整可能な熱輸送を可能にすることを示しています。

材料内部の熱流を調整できる機能は、熱管理が重要な技術にとって実用的な意味を持つ可能性があります。電気的に制御された熱伝導は、電子システムの冷却の改善、より効率的な固体エネルギー変換、およびチップスケールデバイスのより優れた熱制御をサポートする可能性があります。熱輸送の方向制御は、過剰な熱がシステムのパフォーマンスを制限するアプリケーションにも利益をもたらす可能性があります。

このアプローチは、原子の振動が結晶格子内をどのように移動するかを変更することによって機能します。電場が印加されると、セラミック内の内部電荷が電場の方向に沿って整列します。この配列により、固体を通して熱を運ぶ原因となる微視的な振動であるフォノンの散乱が減少します。経路の中断が少なくなると、振動はエネルギーを散逸する前にさらに遠くまで伝わるため、フォノンの寿命が長くなり、熱輸送が速くなります。

この効果は、リラクサーベースの強誘電体セラミックとして知られる種類の材料で観察されます。電場にさらされると、分極と呼ばれるプロセスで内部双極子が整列します。測定の結果、場の方向に沿って移動するフォノンは、それに垂直に移動するフォノンよりも長く持続し、場の方向に沿った熱伝導率が結晶全体で観察される熱伝導率のほぼ3倍に増加することが示されました。この挙動は、非弾性中性子散乱を使用して核破砕中性子源で行われた実験を通じて、原子構造と材料内の動的運動の両方を観察することで調べられました。

オークリッジ国立研究所の博士研究員であるプスパ・ウプレティ氏は、この研究は先端材料の熱エネルギー管理の新たな可能性を示していると語る。「熱の流れの速度と方法の両方を制御できれば、熱エネルギーをより効率的に管理するデバイスが実現できる可能性があります。」