I den senaste rynken som upptäcktes i kubisk borarsenid, det ovanliga materialet motsäger de traditionella reglerna som styr värmeledning, enligt en ny rapport från Boston College -forskare i dagens upplaga av tidskriften Naturkommunikation .

Vanligtvis, när ett material komprimeras, det blir en bättre värmeledare. Det hittades först i studier för ungefär ett sekel sedan. I borarsenid, forskargruppen fann att när materialet komprimeras förbättras konduktiviteten först och försämras sedan.

Förklaringen bygger på en ovanlig konkurrens mellan olika processer som ger värmebeständighet, enligt medförfattarna professor David Broido och Navaneetha K.Ravichandran, en postdoktor, vid Institutionen för fysik vid Boston College. Denna typ av beteende har aldrig förutspåtts eller observerats tidigare.

Resultaten överensstämmer med den okonventionella höga värmeledningsförmågan som Broido, en teoretisk fysiker, och kollegor har tidigare identifierat i kubisk borarsenid.

Ravichandrans beräkningar visade att vid komprimering, materialet leder först värme bättre, liknande de flesta material. Men när kompressionen ökar, borarsenidens förmåga att leda värme försämras, medförfattarna skriver i artikeln, med titeln "Icke-monoton tryckberoende av värmeledningsförmågan hos borarsenid."

Sådant udda beteende härrör från det ovanliga sättet på vilket värme transporteras i borarsenid, en elektriskt isolerande kristall där värme bärs av fononer - vibrationer av atomerna som bildar kristallen, Sa Broido. "Motstånd mot värmeflödet i material som borarsenid orsakas av kollisioner mellan fononer, " han lade till.

Kvantfysik visar att dessa kollisioner sker mellan minst tre fononer åt gången, han sa. I årtionden, det hade antagits att endast kollisioner mellan tre fononer var viktiga, speciellt för bra värmeledare.

Kubisk borarsenid är ovanligt genom att det mesta av värmen transporteras av fononer som sällan kolliderar i trillingar, en funktion som förutspåddes för flera år sedan av Broido och medarbetare, inklusive Lucas Lindsay vid Oak Ridge National Laboratory och Tom Reinecke från Naval Research Lab.

Faktiskt, kollisioner mellan tre fononer är så sällsynta i borarsenid att de mellan fyra fononer, som hade förväntats vara försumbar, tävla om att begränsa värmetransporten, som visas av andra teoretiker, och av Broido och Ravichandran i tidigare publikationer.

Som ett resultat av sådana sällsynta kollisionsprocesser bland fonontripletter, kubisk borarsenid har visat sig vara en utmärkt värmeledare, som bekräftats av de senaste mätningarna.

Med hjälp av dessa senaste insikter, Ravichandran och Broido har visat att genom att applicera hydrostatiskt tryck, konkurrensen mellan tre-fonon och fyra-fonon kollisioner kan, faktiskt, moduleras i materialet.

"När borarsenid komprimeras, förvånande, tre-fonon-kollisioner blir vanligare, medan fyra-fonon interaktioner blir mindre frekventa, orsakar att värmeledningsförmågan först ökar och sedan minskar, "Ravichandran sa." Sådana konkurrerande svar av tre-fonon- och fyr-fonon-kollisioner på applicerat tryck har aldrig förutsagts eller observerats i något annat material, ".

Teoretikernas arbete, stöds av ett Multi-University Research Initiative-bidrag från Office of Naval Research, förväntas tas upp av experter för att bevisa konceptet, Sa Broido.

"Denna vetenskapliga förutsägelse väntar på bekräftelse från mätning, men de teoretiska och beräkningsmetoder som används har visat sig vara korrekta från jämförelser till mätningar på många andra material, så vi är övertygade om att experiment kommer att mäta beteende som liknar det vi hittade. "sa Broido.

"Mer allmänt, det teoretiska tillvägagångssätt vi utvecklat kan också vara användbart för studier av jordens nedre mantel där mycket höga temperaturer och tryck kan uppstå, "sa Ravichandran." Eftersom det är svårt att få experimentella data djupt i jorden, vår prediktiva beräkningsmodell kan hjälpa till att ge nya insikter om värmeflödets beskaffenhet vid de extrema temperatur- och tryckförhållanden som finns där. "