Это отсутствие контроля затрудняет создание новых классов устройств, которые используют фононы — агенты теплопроводности — вместо электронов или фотонов для сбора энергии или передачи информации. Фононы — атомные колебания, которые переносят тепловую энергию в твердых телах со скоростью до скорости звука — оказалось трудно использовать.Теперь, используя только 9-вольтовую батарею при комнатной температуре, группа под руководством исследователя Сандийской национальной лаборатории Джона Илефельда изменила теплопроводность широко используемого материала PZT (цирконат-титанат свинца) на целых 11 процентов в субсекундных временных масштабах.
Они сделали это, не прибегая к дорогостоящим операциям, таким как изменение состава материала или форсирование фазовых переходов в другие состояния вещества.PZT, как керамический, так и в виде тонкой пленки, используется в широком спектре устройств, начиная от компьютерных жестких дисков, кнопочных зажигалок для барбекю-грилей, транспондеров скоростного пропуска в пунктах взимания платы за проезд на автомагистралях и во многих микроэлектромеханических конструкциях.
«Мы можем изменять теплопроводность PZT в широком диапазоне температур, а не только при криогенных температурах, достигнутых другими исследовательскими группами», — сказал Илефельд. «И мы можем сделать это обратимо: когда мы снимаем напряжение, теплопроводность возвращается к исходному значению».Работа проводилась с материалами с близко расположенными внутренними интерфейсами — так называемыми доменными стенками — недоступными в предыдущие десятилетия.
Близкое расстояние позволяет лучше контролировать прохождение фононов.«Мы показали, что можем приготовить кристаллические материалы с границами раздела, которые можно изменять с помощью электрического поля. Поскольку эти границы раздела рассеивают фононы, — сказал Илефельд, — мы можем активно изменять теплопроводность материала, просто изменяя их концентрацию. Мы чувствуем эту новаторскую работу продвинет область фононики ".
Исследователи, поддерживаемые отделом научных исследований и разработок Sandia, Управлением научных исследований ВВС США и Национальным научным фондом, использовали растровый электронный микроскоп и атомно-силовой микроскоп, чтобы наблюдать, как изменяются доменные стенки частей материала. длина и форма под действием электрического напряжения. Именно это изменение контролируемым образом изменило перенос фононов в материале.«Настоящее достижение в нашей работе, — сказал Илефельд, — состоит в том, что мы продемонстрировали средства контроля количества тепла, проходящего через материал при комнатной температуре, просто приложив к нему напряжение.
Мы показали, что можем активно регулируют, насколько хорошо тепло — фононы — проводит через материал ».Илефельд отмечает, что активное управление переносом электронов и фотонов привело к появлению технологий, которые сегодня считаются само собой разумеющимся в вычислительной технике, глобальной связи и других областях.«До того, как появилась возможность управлять этими частицами и волнами, было, вероятно, трудно даже мечтать о технологиях, включающих электронные компьютеры и лазеры.
И до нашей демонстрации твердотельных, быстрых, работающих при комнатной температуре средств для изменения теплопроводности, аналогичные средств для управления переносом фононов не существовало. Мы считаем, что наш результат позволит использовать новые технологии, в которых управление фононами необходимо », — сказал он.
Соавторами работы, опубликованной в прошлом месяце в Nano Letters, являются исследователи Sandia Дэвид А. Скримджер, Джозеф Р. Майкл, Бонни Б. Маккензи и Дуглас Л. Медлин; Брайан М. Фоули и Патрик Э. Хопкинс из Университета Вирджинии; и Марджо Уоллас и Сьюзан Тролье-МакКинстри из Университета штата Пенсильвания.Цель будущей работы — лучше понять, «что привело к такому эффективному возникновению этого эффекта», — сказал Илефельд.