Nell'ultima ruga scoperta nell'arseniuro di boro cubico, il materiale insolito contraddice le regole tradizionali che regolano la conduzione del calore, secondo un nuovo rapporto dei ricercatori del Boston College nell'edizione odierna della rivista Comunicazioni sulla natura .

Generalmente, quando un materiale viene compresso, diventa un miglior conduttore di calore. Questo è stato scoperto per la prima volta negli studi circa un secolo fa. Nell'arseniuro di boro, il team di ricerca ha scoperto che quando il materiale viene compresso, la conduttività prima migliora e poi si deteriora.

La spiegazione si basa su un'insolita competizione tra diversi processi che forniscono resistenza al calore, secondo i coautori professor David Broido e Navaneetha K. Ravichandran, un borsista post-dottorato, del Dipartimento di Fisica del Boston College. Questo tipo di comportamento non è mai stato previsto o osservato prima.

I risultati sono coerenti con l'elevata conduttività termica non convenzionale che Broido, un fisico teorico, e colleghi hanno precedentemente identificato nell'arseniuro di boro cubico.

I calcoli di Ravichandran hanno mostrato che alla compressione, il materiale prima conduce meglio il calore, simile alla maggior parte dei materiali. Ma all'aumentare della compressione, la capacità dell'arseniuro di boro di condurre il calore si deteriora, i coautori scrivono nell'articolo, intitolato "Dipendenza non monotona dalla pressione della conduttività termica dell'arseniuro di boro".

Tale strano comportamento deriva dal modo insolito in cui il calore viene trasportato nell'arseniuro di boro, un cristallo elettricamente isolante in cui il calore è trasportato da fononi, vibrazioni degli atomi che compongono il cristallo, disse Broido. "La resistenza al flusso di calore in materiali come l'arseniuro di boro è causata da collisioni che si verificano tra fononi, " Ha aggiunto.

La fisica quantistica mostra che queste collisioni avvengono tra almeno tre fononi alla volta, Egli ha detto. Per decenni, si era ipotizzato che solo le collisioni tra tre fononi fossero importanti, soprattutto per buoni conduttori di calore.

L'arseniuro di boro cubico è insolito in quanto la maggior parte del calore viene trasportata da fononi che raramente si scontrano in triplette, una caratteristica prevista diversi anni fa da Broido e collaboratori, tra cui Lucas Lindsay dell'Oak Ridge National Laboratory e Tom Reinecke del Naval Research Lab.

Infatti, le collisioni tra tre fononi sono così rare nell'arseniuro di boro che quelle tra quattro fononi, che ci si aspettava fosse trascurabile, competere per limitare il trasporto di calore, come dimostrato da altri teorici, e da Broido e Ravichandran in pubblicazioni precedenti.

Come risultato di tali rari processi di collisione tra triplette di fononi, l'arseniuro di boro cubico si è rivelato un ottimo conduttore termico, come confermato da recenti misurazioni.

Attingendo a queste ultime intuizioni, Ravichandran e Broido hanno dimostrato che applicando una pressione idrostatica, la competizione tra collisioni tra tre e quattro fononi può, infatti, essere modulato nel materiale.

"Quando l'arseniuro di boro viene compresso, sorprendentemente, le collisioni a tre fononi diventano più frequenti, mentre le interazioni a quattro fononi diventano meno frequenti, facendo sì che la conducibilità termica prima aumenti e poi diminuisca, " ha detto Ravichandran. " Tali risposte in competizione di collisioni di tre e quattro fononi alla pressione applicata non sono mai state previste o osservate in nessun altro materiale, ".

Il lavoro dei teorici, sostenuto da una sovvenzione dell'Iniziativa di ricerca multiuniversitaria dell'Ufficio per la ricerca navale, dovrebbe essere ripreso dagli sperimentalisti per dimostrare il concetto, disse Broido.

"Questa previsione scientifica attende conferma dalla misurazione, ma gli approcci teorici e computazionali utilizzati hanno dimostrato di essere accurati dai confronti alle misurazioni su molti altri materiali, quindi siamo fiduciosi che gli esperimenti misureranno un comportamento simile a quello che abbiamo trovato", ha detto Broido.

"Più in generale, l'approccio teorico che abbiamo sviluppato può essere utile anche per studi del mantello inferiore terrestre dove possono verificarsi temperature e pressioni molto elevate, " ha detto Ravichandran. "Dal momento che ottenere dati sperimentali nelle profondità della Terra è impegnativo, il nostro modello computazionale predittivo può aiutare a fornire nuove informazioni sulla natura del flusso di calore alle condizioni estreme di temperatura e pressione che esistono lì".