Μελέτη ορόσημο αποδεικνύει για πρώτη φορά πειραματικά ότι οι μαγνήτες μπορεί να ελέγξουν θερμότητα και ήχο

Ερευνητές στο πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο ανακάλυψαν πώς να ελέγχουν τη θερμότητα με ένα μαγνητικό πεδίο. Στο τεύχος της 23 Μαρτίου του περιοδικού Nature Materials, περιγράφουν πώς ένα μαγνητικό πεδίο περίπου το μέγεθος ενός μαγνητικού τομογράφου μείωσε κατά 12 % το ποσό της θερμότητας που έρεε μέσω ενός ημιαγωγού. Η μελέτη είναι η πρώτη που αποδείχνει ότι τα ηχητικά φωνόνια (phonons)-τα στοιχειώδη σωμάτια που μεταδίδουν τη θερμότητα και τον ήχο-έχουν μαγνητικές ιδιότητες.

«Αυτό προσθέτει μια νέα διάσταση στην κατανόηση των ακουστικών κυμάτων», δήλωσε ο Joseph Heremans, διαπρεπής μελετητής στη Νανοτεχνολογία και καθηγητής μηχανολογίας στο Ohio State. «Δείξαμε ότι μπορούμε μαγνητικά να κατευθύνουμε τη θερμότητα. Με ένα αρκετά ισχυρό μαγνητικό πεδίο, θα πρέπει επίσης να είμαστε σε θέση να κατευθύνουμε τα ηχητικά κύματα».

Οι άνθρωποι μπορεί να εκπλαγούν αρκετά μαθαίνοντας ότι θερμότητα και ήχος έχουν τίποτε να κάνουν η μια με τον άλλο, πολύ λιγότερο ότι μπορούν να ελεγχθούν από μαγνήτες, αναγνώρισε ο Heremans. Όμως και οι δύο φυσικές οντότητες είναι, μιλώντας κβαντομηχανικά, εκφράσεις της ίδιας μορφής ενέργειας. Έτσι, κάθε δύναμη που ελέγχει τη μια θα πρέπει να ελέγχει και την άλλη.

«Ουσιαστικά, η θερμότητα είναι δόνηση ατόμων», εξήγησε. «Η θερμότητα μεταδίδεται μέσω των υλικών με δονήσεις. Όσο θερμότερο είναι ένα υλικό, τόσο πιο γρήγορα δονούνται τα άτομα». «Ο ήχος είναι, επίσης, δόνηση ατόμων», συνέχισε. «Είναι μέσα από τις δονήσεις που σας μιλώ, επειδή οι φωνητικές χορδές μου συμπιέζουν τον αέρα και δημιουργούν δονήσεις, που ταξιδεύουν σε σας και μπορείτε να τις συγκεντρώσετε στα αυτιά σας ως ήχο».

Το όνομα «φωνόνιο» ακούγεται λίγο πολύ όπως το «φωτόνιο». Αυτό συμβαίνει γιατί οι ερευνητές τα θεωρούν ότι είναι ξαδέρφια. Τα φωτόνια είναι σωμάτια του φωτός και τα φωνόνια είναι σωμάτια της θερμότητας και του ήχου. Όμως, οι ερευνητές έχουν έντονα μελετήσει τα φωτόνια για εκατό χρόνια, από τότε που ο Αϊνστάιν «ανακάλυψε» το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα φωνόνια δεν έτυχαν της απαραίτητης προσοχής και έτσι δεν είναι τόσο πολλά γνωστά για αυτά πέρα από τις ιδιότητές τους της θερμότητας και του ήχου.

Αυτή η μελέτη δείχνει ότι τα φωνόνια έχουν επίσης μαγνητικές ιδιότητες. «Πιστεύουμε ότι αυτές οι γενικές ιδιότητες είναι παρούσες σε κάθε στερεό», είπε ο Hyungyu Jin , μεταδιδακτορικός ερευνητής του Ohio State και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. Η επίπτωση: Σε υλικά όπως το γυαλί, η πέτρα, το πλαστικό- υλικά που συμβατικά δεν είναι μαγνητικά-η θερμότητα μπορεί να ελεγχθεί μαγνητικά, αν έχετε ένα αρκετά ισχυρό μαγνήτη. Το φαινόμενο θα περνούσε απαρατήρητο σε μέταλλα, τα οποία μεταφέρουν τόση θερμότητα μέσω ηλεκτρονίων που συγκριτικά είναι αμελητέο οποιοδήποτε ποσό θερμότητας μεταφέρεται από φωνόνια.

Δεν θα υπάρξουν οποιεσδήποτε πρακτικές εφαρμογές αυτής της ανακάλυψης σύντομα: μαγνήτες 7-Tesla, όπως αυτοί που χρησιμοποιήθηκαν στη μελέτη, δεν υπάρχουν έξω από τα νοσοκομεία και τα εργαστήρια και ο ημιαγωγός έπρεπε να ψύχεται στους – 268 βαθμούς Κελσίου (-450 βαθμούς Φαρενάιτ)-πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν-για να επιβραδύνονται αρκετά τα άτομα στο υλικό, ώστε να είναι ανιχνεύσιμες οι κινήσεις των φωνονίων.

Για αυτό το πείραμα ήταν τόσο δύσκολο, είπε ο Jin. Το να πάρει κάποιος μια θερμική μέτρηση σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία ήταν δυσχερές. Η λύση του ήταν να πάρει ένα κομμάτι του ημιαγωγού αντιμονιούχου ινδίου και το διαμορφώσει σε ένα ασύμμετρο διαπασών. Ο ένας βραχίονας του διαπασών ήταν 4 mm φαρδύς και ο άλλος 1 mm. Στη βάση των βραχιόνων εμφύτευσε πηγές θερμότητας.

Το διαπασών από ημιαγωγό αντιμονιούχου ινδίου. (Credit: Ohio State)

Ο σχεδιασμός λειτούργησε λόγω μιας ιδιορρυθμίας στη συμπεριφορά του ημιαγωγού σε χαμηλές θερμοκρασίες. Κανονικά, η ικανότητα ενός υλικού να μεταφέρει θερμότητα θα εξαρτιόταν αποκλειστικά από το είδος των ατόμων από τα οποία είναι κατασκευασμένο. Αλλά σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, όπως αυτές που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, έρχεται στο προσκήνιο ένας άλλος παράγοντας: το μέγεθος του δείγματος που εξετάζεται. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ένα μεγαλύτερο δείγμα μπορεί να μεταφέρει θερμότητα πιο γρήγορα από ό,τι ένα μικρότερο δείγμα από το ίδιο υλικό. Αυτό σημαίνει ότι ο μεγαλύτερος βραχίονας του διαπασών θα μπορούσε να μεταφέρει περισσότερη θερμότητα από ότι ο μικρότερος βραχίονας.

Ο Heremans εξήγησε γιατί: «Φανταστείτε ότι το διαπασών είναι ένα κανάλι, και τα φωνόνια που πηγάζουν από τη βάση είναι δρομείς στο διάδρομο. Οι δρομείς που ακολουθούν το στενό βραχίονα του διαπασών μόλις έχουν χώρο, μετά δυσκολίας περνούν και προσκρούουν στα τοιχώματα του καναλιού, που τα επιβραδύνει. Οι δρομείς που παίρνουν το φαρδύτερο κανάλι μπορεί να τρέξουν πιο γρήγορα, επειδή έχουν πολύ χώρο. «Όλα αυτά καταλήγουν να διέρχονται από το υλικό-το ερώτημα είναι πόσο γρήγορα», συνέχισε. «Όσο περισσότερες συγκρούσεις υφίστανται, τόσο πιο αργά θα πάνε».

Στο πείραμα, ο Jin μέτρησε τη μεταβολή της θερμοκρασίας και στους δύο βραχίονες του διαπασών και αφαίρεσε το ένα από το άλλο και στις δύο περιπτώσεις: με το μαγνητικό πεδίο των 7-tesla ενεργοποιημένο και το πεδίο μη ενεργοποιημένο.

Στην περίπτωση απουσίας του μαγνητικού πεδίου, ο μεγαλύτερος βραχίονας του διαπασών μετέφερε περισσότερη θερμότητα από ότι ο μικρότερος βραχίονας, όπως ακριβώς περίμεναν οι ερευνητές. Αλλά στην περίπτωση παρουσίας του μαγνητικού πεδίου, η ροή θερμότητας μέσω του μεγαλύτερου βραχίονα επιβραδύνεται κατά 12 %.

Υπολογισμός της κίνησης των ακουστικών φωνονίων μέσα σε ημιαγωγό αντιμονιούχου ινδίου μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Οι υπολογισμοί εξήγησαν τα πειραματικά δεδομένα και έδειξαν για πρώτη φορά ότι αυτά τα στοιχειώδη σωμάτια έχουν μαγνητικές ιδιότητες. (Credit: Ohio State)

Λοιπόν, τι άλλαξε; Ο Heremans είπε ότι το μαγνητικό πεδίο προκάλεσε, σε κάποια από τα φωνόνια που διέρχονται από το υλικό, να δονούνται εκτός συγχρονισμού, έτσι που το ένα να τρακάρει στο άλλο, ένα φαινόμενο που αναγνωρίστηκε και ποσοτικοποιήθηκε μέσω προσομοιώσεων σε υπολογιστή που έγιναν από τους Nikolas Antolin, Oscar Restrepo και Wolfgang Windl, όλων μελών του Τμήματος Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του Ohio State.

Στο μεγαλύτερο βραχίονα, η ελευθερία της κίνησης λειτούργησε εις βάρος των φωνονίων-έγιναν περισσότερες συγκρούσεις. Περισσότερα φωνόνια χτυπήθηκαν, φυσικά και λιγότερα, 12 % λιγότερα, πέρασαν ανέγγιχτα από το υλικό. Τα φωνόνια αντέδρασαν με το μαγνητικό πεδίο. Έτσι, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα σωμάτια αυτά πρέπει να είναι ευαίσθητα στο μαγνητισμό. Ως συνέχεια σχεδιάζουν να εξετάσουν εάν μπορούν με μαγνητικά πεδία να εκτρέψουν ηχητικά κύματα από την ευθεία πορεία τους.

Πηγή: The Ohio State University

Περισσότερα στο άρθρο: Phonon-induced diamagnetic force and its effect on the lattice thermal conductivity, Nature Materials 14, 601–606 (2015)