MIT -forskare finner att värme som rör sig i material som kallas supergaller beter sig som vågor; hitta kan möjliggöra bättre termoelektrisk.

Termoelektriska enheter, som kan utnyttja temperaturskillnader för att producera el, kan bli effektivare tack vare ny forskning om värmeutbredning genom strukturer som kallas superlattices. De nya resultaten visar, oväntat, att värme kan resa som vågor, snarare än partiklar, genom dessa nanostrukturer:material som består av skikt med bara några miljarder av en meter i tjocklek.

Värme - vibrationer av atomer och molekyler i ett material - reser vanligtvis i en "slumpmässig promenad, "vilket är svårt att kontrollera. De nya observationerna visar ett mycket annorlunda mönster, kallas koherent flöde, vilket mer liknar krusningar som rör sig över en damm på ett ordnat sätt.

Detta öppnar möjligheten för nya material där värmeflödet kan skräddarsys exakt - material som kan ha viktiga tillämpningar. Till exempel, sådan forskning kan leda till nya sätt att tappa värmen från elektroniska enheter och halvledarlasrar, vilket hämmar prestanda och kan till och med förstöra enheterna.

Det nya verket, av doktorand Maria Luckyanova, postdoc Jivtesh Garg och professor Gang Chen, alla på MIT:s avdelning för maskinteknik - tillsammans med andra studenter och professorer vid MIT, Boston University, California Institute of Technology och Boston College - rapporteras i veckan i tidningen Vetenskap .

Studien omfattar ett nanostrukturerat material som kallas superlattice:i detta fall, en bunt med omväxlande tunna lager av galliumarsenid och aluminiumarsenid, var och en deponeras i sin tur genom en process som kallas metall-organisk kemisk ångavsättning. Kemikalier som innehåller dessa element förångas i vakuum, och sedan avsatt på en yta, deras tjocklekar kontrolleras exakt under deponeringsprocessens varaktighet. De resulterande skikten var bara 12 nanometer tjocka - ungefär tjockleken på en DNA -molekyl - och hela strukturerna varierade i tjocklek från 24 till 216 nanometer.

Forskare hade tidigare trott att även om sådana lager kan vara atomiskt perfekta, det skulle fortfarande finnas tillräckligt med grovhet vid gränsytorna mellan skikten för att sprida värmetransporterande kvasipartiklar, kallade fononer, när de rörde sig genom supergitteret. I ett material med många lager, sådana spridningseffekter skulle ackumuleras, Det var tänkt, och "förstöra vågeffekten" av fononerna, säger Chen, Carl Richard Soderberg, professor i kraftteknik. Men detta antagande hade aldrig bevisats, så han och hans kollegor bestämde sig för att ompröva processen, han säger.

Verkligen, experiment av Luckyanova och datasimuleringar av Garg visade att medan sådan fas-randomiserande spridning sker bland högfrekventa fononer, vågeffekter bevarades bland lågfrekventa fononer. Chen säger att han var mycket förvånad när Luckyanova kom tillbaka med de första experimentella uppgifterna för att visa "att koherent värmeledning verkligen händer."

Att förstå de faktorer som styr denna sammanhang kan, i tur och ordning, leda till bättre sätt att bryta den koherensen och minska värmeledningen, Säger Chen. Detta skulle vara önskvärt i termoelektriska enheter för att utnyttja oanvänd värmeenergi i allt från kraftverk till elektronik. Sådana applikationer kräver material som leder elektricitet mycket bra men leder värme mycket dåligt.

Arbetet kan också förbättra värmeutsläpp, såsom för kylning av datorchips. Möjligheten att fokusera och styra värmeflödet kan leda till bättre värmehantering för sådana enheter. Chen säger att forskare ännu inte vet hur de ska utöva sådan exakt kontroll, men den nya förståelsen kan hjälpa. Att förstå denna vågbaserade mekanism "ger dig fler sätt att manipulera transporten" av värme, han säger.

De två material som används i detta experiment har mycket liknande egenskaper, Luckyanova säger, och leda el mycket bra. Men genom att kontrollera tjockleken och avståndet mellan lagren, hon säger, "vi tror att vi kan manipulera termotransporten, "producerar den typ av isoleringseffekt som behövs för termoelektriska enheter.

Rollen som gränssnitt mellan lagren i ett material "är något som inte riktigt förstods, "Säger Garg. Tidigare simuleringar hade inte inkluderat effekterna av variation i ytstruktur på processen, han säger, men "jag insåg att det fanns ett sätt att simulera grovhetens roll" på hur fononer rörde sig genom lagren.

Det nya verket ger inte bara möjligheten att styra värmeflödet (mestadels transporterat av fononer med korta våglängder) utan också för att styra rörelsen av ljudvågor (främst transporterade av längre våglängdsfononer). "Det är verkligen en slags grundläggande förståelse, "Säger Chen.

Insikterna som gjorde arbetet möjligt uppstod till stor del genom interaktioner mellan forskare inom olika discipliner, underlättas genom Solid State Solar-Thermal Energy Conversion Center, ett Energy Frontier Center finansierat av U.S. Department of Energy, som regelbundet håller tvärvetenskapliga möten på MIT. "Dessa möten gav långa fruktbara diskussioner som verkligen stärkte tidningen, "Säger Luckyanova. Mängden människor i gruppen" uppmuntrade oss verkligen att angripa detta problem från alla håll. "