Teoretiska fysiker från SISSA och University of California i Davis har utvecklat en ny metod för värmetransport i material, som äntligen tillåter kristaller, polykristallina fasta ämnen, legeringar och glas som ska behandlas på samma solida grund. Det öppnar vägen för numerisk simulering av de termiska egenskaperna hos en stor klass av material inom viktiga områden som energibesparing, omvandling, sanering, lagring, värmeavledning, avskärmning och planetvetenskap, som hittills har undvikit en ordentlig beräkningsbehandling. Forskningen har publicerats i Naturkommunikation .

Värmen försvinner med tiden. På sätt och vis, värmeflöde är det avgörande kännetecknet för tidens pil. Trots värmetransportens grundläggande betydelse, fadern till dess moderna teori, Sir Rudolph Peierls, skrev 1961, "Det verkar som att det inte finns några problem i modern fysik som det finns registrerade för eftersom många felstarter, och lika många teorier som förbiser vissa väsentliga egenskaper, som i problemet med värmeledningsförmågan hos icke-ledande kristaller."

Ett halvt sekel har gått sedan, och värmetransport är fortfarande ett av de mest svårfångade kapitlen inom teoretisk materialvetenskap. I själva verket inget enhetligt tillvägagångssätt har kunnat behandla kristaller och (delvis) oordnade fasta ämnen på lika villkor, vilket hindrar generationer av materialforskares ansträngningar att simulera vissa material, eller olika tillstånd av samma material som förekommer i samma fysiska system eller enhet med samma noggrannhet.

Denna stora lucka har äntligen täppts till av en grupp forskare från SISSA och UC Davis, ledd av Stefano Baroni och Davide Donadio inom ramen för MAX EU Center for Supercomputing Applications. Forskarna har utvecklat en ny metodik baserad på Green-Kubo-teorin om linjär respons och begrepp från gitterdynamik som på ett snyggt sätt överbryggar olika tillvägagångssätt gällande kristaller och glas. Den nya metoden står naturligtvis för kvantmekaniska effekter, därmed äntligen möjliggöra prediktiv modellering av värmetransport i komplexa oordnade material i lågtemperaturkvantregimen som ingen befintlig teknik tillämpas på.

Denna bedrift kommer alltså att ge forskare och ingenjörer möjlighet att förstå och designa värmetransport för en mängd olika tillämpningar. Att uppnå extremt låg värmeledningsförmåga är avgörande för termoelektrisk energiskörd och fast tillståndskylning, värmeisolering och värmebarriärbeläggning, medan hög värmeledningsförmåga är nyckeln för värmehantering i högeffektelektronik, batterier och solceller. Till sist, nanostrukturerad, polykristallina, mycket defekta eller till och med glasartade material kan studeras med hög noggrannhet inom en enhetlig och praktiskt genomförbar ram.