I ricercatori hanno scoperto una nuova proprietà elettronica alla frontiera tra le scienze termiche e quantistiche in una lega metallica appositamente progettata e nel processo hanno identificato un materiale promettente per dispositivi futuri che potrebbero accendere e spegnere il calore con l'applicazione di un "interruttore" magnetico. "

In questo materiale, elettroni, che hanno una massa nel vuoto e nella maggior parte degli altri materiali, si muovono come fotoni senza massa o luce:un comportamento inaspettato, ma un fenomeno teoricamente previsto esistere qui. La lega è stata progettata con gli elementi bismuto e antimonio a intervalli precisi basati sulla teoria fondazionale.

Sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, i ricercatori hanno scoperto, questi elettroni che si comportano in modo strano manipolano il calore in modi che non si vedono in condizioni normali. Su entrambi i lati caldo e freddo del materiale, alcuni degli elettroni generano calore, o energia, mentre altri assorbono energia, trasformando efficacemente il materiale in una pompa di energia. Il risultato:un aumento del 300% della sua conduttività termica.

Porta via il magnete, e il meccanismo si spegne.

"La generazione e l'assorbimento formano l'anomalia, ", ha affermato l'autore senior dello studio Joseph Heremans, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e Ohio Eminent Scholar in Nanotechnology presso la Ohio State University. "Il calore scompare e riappare altrove, è come il teletrasporto. Succede solo in circostanze molto specifiche previste dalla teoria quantistica".

Questa proprietà, e la semplicità di controllarlo con un magnete, rende il materiale un candidato desiderabile come interruttore termico senza parti mobili, simile a un transistor che commuta le correnti elettriche o un rubinetto che commuta l'acqua, che potrebbe raffreddare i computer o aumentare l'efficienza delle centrali solari termiche.

"I termostati allo stato solido senza parti mobili sono estremamente desiderabili, ma non esistono, " Heremans ha detto. "Questo è uno dei possibili meccanismi che porterebbero a uno".

La ricerca è pubblicata oggi (7 giugno 2021) sulla rivista Materiali della natura .

La lega bismuto-antimonio fa parte di una classe di materiali quantistici chiamati semimetalli Weyl, i cui elettroni non si comportano come previsto. Sono caratterizzati da proprietà che includono particelle cariche negativamente e positivamente, elettroni e lacune, rispettivamente, che si comportano come particelle "senza massa". Anche parte di un gruppo chiamato materiali topologici, i loro elettroni reagiscono come se il materiale contenesse campi magnetici interni che consentono l'instaurazione di nuovi percorsi lungo i quali tali particelle si muovono.

In fisica, un'anomalia - la generazione e l'assorbimento di calore degli elettroni scoperti in questo studio - si riferisce a certe simmetrie che sono presenti nel mondo classico ma sono rotte nel mondo quantistico, ha detto il coautore dello studio Nandini Trivedi, professore di fisica all'Ohio State.

Anche le leghe di bismuto e altri materiali simili presentano una conduzione classica come la maggior parte dei metalli, per cui gli atomi vibranti in un reticolo cristallino e il movimento degli elettroni trasportano calore. Trivedi ha descritto il nuovo percorso lungo il quale gli elettroni simili alla luce manipolano il calore tra di loro come un'autostrada che sembra apparire dal nulla.

"Immagina di vivere in una piccola città con strade minuscole, e all'improvviso c'è un'autostrada che si apre, " ha detto. "Questo particolare percorso si apre solo se si applica un gradiente termico in una direzione e un campo magnetico nella stessa direzione. Quindi puoi facilmente chiudere l'autostrada mettendo il campo magnetico in una direzione perpendicolare.

"Non esistono autostrade del genere nei metalli ordinari".

Quando un metallo come il rame viene riscaldato e gli elettroni fluiscono dall'estremità calda all'estremità fredda, sia il calore che la carica si muovono insieme. A causa del modo in cui questa autostrada si apre nel materiale semimetallico sperimentale Weyl, non c'è movimento netto di carica, solo movimento di energia. L'assorbimento del calore da parte di alcuni elettroni rappresenta un'interruzione della chiralità, o direzionalità, il che significa che è possibile pompare energia tra due particelle che non dovrebbero interagire, un'altra caratteristica dei semimetalli Weyl.

I fisici teorici e gli ingegneri che hanno collaborato a questo studio hanno predetto che queste proprietà esistevano in specifiche leghe di bismuto e altri materiali topologici. Per questi esperimenti, gli scienziati hanno costruito la lega specializzata per testare le loro previsioni.

"Abbiamo lavorato duramente per sintetizzare il materiale corretto, che è stato progettato da zero da noi per mostrare questo effetto. Era importante purificarlo ben al di sotto dei livelli di impurità che trovi in ​​natura, " disse Heremans. Come composto, la lega ha ridotto al minimo la conduzione di fondo in modo che i ricercatori potessero rilevare il comportamento degli elettroni senza massa, noto come Weyl Fermions.

"In materiali ordinari, gli elettroni trascinano con sé un piccolo magnete. Però, la particolare struttura elettronica di queste leghe di bismuto fa sì che gli elettroni si trascinino attorno a un magnete quasi 50 volte più grande del normale, " ha detto Michael Flatté, professore di fisica e astronomia all'Università dell'Iowa e coautore dello studio. "Questi enormi magneti subatomici hanno permesso di formare il nuovo stato elettronico utilizzando campi magnetici di laboratorio.

"Questi risultati mostrano che le teorie sviluppate per la fisica delle alte energie e le teorie delle particelle subatomiche possono spesso essere realizzate in materiali elettronici appositamente progettati".

Come tutto quanto, Heremans ha detto, "quello che abbiamo osservato sembra un po' magico, ma questo è ciò che le nostre equazioni dicono che dovrebbe fare ed è ciò che abbiamo dimostrato sperimentalmente che fa."

Un problema:il meccanismo in questo materiale funziona solo a bassa temperatura, sotto meno 100 gradi Fahrenheit. Con i fondamenti ora compresi, i ricercatori hanno molte opzioni mentre lavorano verso potenziali applicazioni.

"Ora sappiamo quali materiali cercare e di quale purezza abbiamo bisogno, " Disse Heremans. "Così si passa dalla scoperta di un fenomeno fisico a un materiale ingegneristico".