Forskare har upptäckt en ny elektronisk egendom vid gränsen mellan värme- och kvantvetenskapen i en specialkonstruerad metalllegering - och i processen identifierat ett lovande material för framtida enheter som kan slå på och av värme med en magnetisk "switch". "

I detta material, elektroner, som har en massa i vakuum och i de flesta andra material, rör sig som masslösa fotoner eller ljus - ett oväntat beteende, men ett fenomen som teoretiskt förutses existera här. Legeringen konstruerades med elementen vismut och antimon i exakta intervall baserat på grundläggande teori.

Under påverkan av ett externt magnetfält, fann forskarna, dessa märkligt uppförande elektroner manipulerar värme på sätt som inte ses under normala förhållanden. På materialets varma och kalla sida, några av elektronerna alstrar värme, eller energi, medan andra absorberar energi, effektivt förvandla materialet till en energipump. Resultatet:En 300% ökning av dess värmeledningsförmåga.

Ta bort magneten, och mekanismen är avstängd.

"Generering och absorption bildar avvikelsen, "sade studiens seniorförfattare Joseph Heremans, professor i mekanisk och rymdteknik och Ohio Eminent Scholar i nanoteknik vid Ohio State University. "Värmen försvinner och återkommer någon annanstans - det är som teleportation. Det händer bara under mycket specifika omständigheter som förutses av kvantteori."

Denna fastighet, och enkelheten att styra den med en magnet, gör materialet till en önskvärd kandidat som värmebrytare utan rörliga delar, liknande en transistor som växlar elektriska strömmar eller en kran som byter vatten, som kan kyla datorer eller öka effektiviteten hos solvärmeverk.

"Solid-state värmebrytare utan rörliga delar är extremt önskvärda, men de finns inte, "Sade Heremans." Detta är en av de möjliga mekanismerna som skulle leda till en. "

Forskningen publiceras idag (7 juni, 2021) i tidningen Naturmaterial .

Vismen-antimonlegeringen är bland en klass av kvantmaterial som kallas Weyl-semimetaller, vars elektroner inte beter sig som förväntat. De kännetecknas av egenskaper som inkluderar negativt och positivt laddade partiklar, elektroner och hål, respektive, som beter sig som "masslösa" partiklar. Även en del av en grupp som kallas topologiska material, deras elektroner reagerar som om materialet innehåller inre magnetfält som möjliggör etablering av nya vägar längs vilka partiklarna rör sig.

Inom fysiken, en anomali - elektronernas generering och absorption av värme som upptäcktes i denna studie - hänvisar till vissa symmetrier som finns i den klassiska världen men som bryts i kvantvärlden, sade medförfattaren till studien Nandini Trivedi, professor i fysik vid Ohio State.

Vismutlegeringar och andra liknande material har också klassisk ledning som de flesta metaller, genom vilka vibrerande atomer i ett kristallgitter och elektronernas rörelse bär värme. Trivedi beskrev den nya vägen längs vilken ljusliknande elektroner manipulerar värme sinsemellan som en motorväg som verkar dyka upp ur ingenstans.

"Tänk om du bodde i en liten stad som hade små vägar, och plötsligt finns det en motorväg som öppnar sig, "sa hon." Denna speciella väg öppnas bara om du applicerar en termisk gradient i en riktning och ett magnetfält i samma riktning. Så du kan enkelt stänga motorvägen genom att sätta magnetfältet i vinkelrät riktning.

"Inga sådana motorvägar finns i vanliga metaller."

När en metall som koppar värms upp och elektroner flyter från den varma änden till den kalla änden, både värmen och laddningen rör sig tillsammans. På grund av hur denna motorväg öppnar i det experimentella Weyl -halvmetallmaterialet, det finns ingen nettoladdningsrörelse - bara energirörelse. Absorption av värme av vissa elektroner representerar ett avbrott i kiralitet, eller riktning, vilket betyder att det är möjligt att pumpa energi mellan två partiklar som inte skulle förväntas interagera - en annan egenskap hos Weyl -halvmetaller.

De teoretiska fysiker och ingenjörer som samarbetade i denna studie förutspådde att dessa egenskaper fanns i specifika vismutlegeringar och andra topologiska material. För dessa experiment, forskarna konstruerade den specialiserade legeringen för att testa sina förutsägelser.

"Vi arbetade hårt för att syntetisera rätt material, som designades från grunden av oss för att visa denna effekt. Det var viktigt att rena det långt under nivåerna av föroreningar som du hittar i naturen, Sa Heremans. legeringen minimerade bakgrundsledningen så att forskarna kunde upptäcka beteendet hos de masslösa elektronerna, känd som Weyl Fermions.

"I vanligt material, elektroner drar runt med sig en liten magnet. Dock, den speciella elektroniska strukturen hos dessa vismutlegeringar betyder att elektronerna drar runt en magnet nästan 50 gånger större än normalt, "sa Michael Flatté, professor i fysik och astronomi vid University of Iowa och en medförfattare. "Dessa enorma subatomära magneter tillät att det nya elektroniska tillståndet bildades med hjälp av laboratoriemagnetiska fält.

"Dessa resultat visar att teorier som utvecklats för högenergifysik och subatomära partikelteorier ofta kan förverkligas i specialdesignade elektroniska material."

Som allt kvant, Heremans sa, "det vi observerade ser lite ut som magi, men det är vad våra ekvationer säger att det borde göra och det är vad vi experimentellt bevisat att det gör. "

En hake:Mekanismen i detta material fungerar endast vid låg temperatur, under minus 100 grader Fahrenheit. Med det grundläggande nu förstått, forskarna har många alternativ när de arbetar mot potentiella applikationer.

"Nu vet vi vilka material vi ska leta efter och vilken renhet vi behöver, "Sa Heremans." Det är så vi kommer från upptäckten av ett fysiskt fenomen till ett konstruktionsmaterial. "