В номере журнала Nature Materials от 23 марта они описывают, как магнитное поле размером примерно с медицинскую МРТ уменьшило количество тепла, протекающего через полупроводник, на 12 процентов.
Это первое исследование, доказывающее, что акустические фононы — элементарные частицы, передающие тепло и звук — обладают магнитными свойствами.
«Это добавляет новое измерение в наше понимание акустических волн», — сказал Джозеф Хереманс, выдающийся ученый в области нанотехнологий из Огайо и профессор машиностроения в штате Огайо. "Мы показали, что можем управлять теплом с помощью магнитов. С достаточно сильным магнитным полем мы также сможем управлять звуковыми волнами."
Люди могут быть достаточно удивлены, узнав, что тепло и звук имеют какое-то отношение друг к другу, не говоря уже о том, что ими можно управлять с помощью магнитов, признал Хереманс. Но оба являются выражениями одной и той же формы энергии, квантово-механически говоря.
Таким образом, любая сила, которая контролирует одно, должна контролировать другое.
«По сути, тепло — это вибрация атомов», — объяснил он. «Тепло передается через материалы за счет вибрации. Чем горячее материал, тем быстрее колеблются атомы.
«Звук — это тоже вибрация атомов», — продолжил он. "Я говорю с вами через вибрации, потому что мои голосовые связки сжимают воздух и создают вибрации, которые доходят до вас, а вы улавливаете их своими ушами как звук."
Название «фонон» очень похоже на «фотон»."Это потому, что исследователи считают их родственниками: фотоны — это частицы света, а фононы — это частицы тепла и звука. Но исследователи интенсивно изучали фотоны в течение ста лет — с тех пор, как Эйнштейн открыл фотоэлектрический эффект. Фононам не уделялось столько внимания, и поэтому о них известно не так много, кроме их свойств тепла и звука.
Это исследование показывает, что фононы тоже обладают магнитными свойствами.
«Мы считаем, что эти общие свойства присутствуют в любом твердом теле», — сказал Хён Ю Джин, постдокторант из штата Огайо и ведущий автор исследования.
Вывод: в таких материалах, как стекло, камень, пластик — материалы, которые обычно не являются магнитными, — нагрев можно контролировать магнитно, если у вас есть достаточно мощный магнит. Эффект остался бы незамеченным в металлах, которые передают через электроны так много тепла, что любое тепло, переносимое фононами, по сравнению с ним пренебрежимо мало.
В ближайшее время у этого открытия не будет никаких практических применений: магниты мощностью 7 тесла, подобные тому, который использовался в исследовании, не существуют за пределами больниц и лабораторий, а полупроводник нужно было охладить до -450 градусов по Фаренгейту (- 268 градусов Цельсия) — очень близко к абсолютному нулю — чтобы атомы в материале замедлились настолько, чтобы движения фононов можно было обнаружить.
Вот почему эксперимент был таким сложным, сказал Джин. Провести тепловые измерения при такой низкой температуре было непросто. Его решение заключалось в том, чтобы взять кусок полупроводникового антимонида индия и превратить его в наклонный камертон.
Ширина одного плеча вилки составляла 4 мм, а другого — 1 мм. Он подложил обогреватели в основание рук.
Дизайн сработал из-за необычного поведения полупроводника при низких температурах.
Обычно способность материала передавать тепло зависит исключительно от типа атомов, из которых он сделан. Но при очень низких температурах, таких как те, которые использовались в этом эксперименте, играет роль другой фактор: размер исследуемого образца. В этих условиях более крупный образец может передавать тепло быстрее, чем образец меньшего размера из того же материала.
Это означает, что большее плечо камертона может передавать больше тепла, чем меньшее плечо.
Хереманс объяснил, почему.
"Представьте, что камертон — это дорожка, а фононы, исходящие от базы, — бегуны на дорожке. У бегунов, которые берут узкую сторону вилки, едва хватает места, чтобы протиснуться, и они продолжают натыкаться на стенки трассы, что замедляет их.
Бегуны, выбравшие более широкую трассу, могут бегать быстрее, потому что у них много места.
«Все они в конечном итоге проходят через материал — вопрос в том, насколько быстро», — продолжил он. "Чем больше столкновений они претерпевают, тем медленнее движутся."
В эксперименте Джин измерил изменение температуры в обоих плечах камертона и вычитал одно из другого, как с включенным магнитным полем силой 7 тесла, так и без него.
В отсутствие магнитного поля большее плечо камертона передавало больше тепла, чем меньшее плечо, как и ожидали исследователи.
Но в присутствии магнитного поля тепловой поток через большее плечо замедляется на 12 процентов.
Итак, что изменилось? Хереманс сказал, что магнитное поле заставляло некоторые из фононов, проходящих через материал, вибрировать не синхронно, так что они сталкивались друг с другом, эффект был идентифицирован и количественно оценен с помощью компьютерного моделирования, выполненного Николасом Антолином, Оскаром Рестрепо и Вольфгангом Виндлом, все из Огайо. Государственный департамент материаловедения и инженерии.
В большей руке свобода движения работала против фононов — они испытывали больше столкновений. Больше фононов было сбито с курса, и меньше — на 12 процентов меньше — прошло через материал без повреждений.
Исследователи пришли к выводу, что фононы реагируют на магнитное поле, поэтому частицы должны быть чувствительны к магнетизму. Затем они планируют проверить, могут ли они отклонять звуковые волны в сторону с помощью магнитных полей.
Соавторами исследования были Стивен Буна, доктор наук в области машиностроения и аэрокосмической техники; и Роберто Майерс, доцент кафедры материаловедения и инженерии, электротехники, вычислительной техники и физики.
Финансирование исследования поступило от U.S. Управление армейских исследований, U.S.
Управление научных исследований ВВС США и Национальный научный фонд (NSF), включая средства Научно-технического центра NSF по материалам и инженерии в штате Огайо. Вычислительные ресурсы предоставлены Суперкомпьютерным центром Огайо.