Dans la dernière ride découverte dans l'arséniure de bore cubique, le matériau inhabituel contredit les règles traditionnelles qui régissent la conduction thermique, selon un nouveau rapport des chercheurs du Boston College dans l'édition d'aujourd'hui du journal Communication Nature .

D'habitude, lorsqu'un matériau est comprimé, il devient un meilleur conducteur de chaleur. Cela a été trouvé pour la première fois dans des études il y a environ un siècle. Dans l'arséniure de bore, l'équipe de recherche a découvert que lorsque le matériau est comprimé, la conductivité s'améliore d'abord, puis se détériore.

L'explication est basée sur une compétition inhabituelle entre différents processus qui offrent une résistance à la chaleur, selon les co-auteurs le professeur David Broido et Navaneetha K. Ravichandran, un post-doctorant, du Département de physique du Boston College. Ce type de comportement n'a jamais été prédit ou observé auparavant.

Les résultats sont cohérents avec la conductivité thermique élevée non conventionnelle que Broido, un physicien théoricien, et ses collègues ont déjà identifié dans l'arséniure de bore cubique.

Les calculs de Ravichandran ont montré que lors de la compression, le matériau conduit d'abord mieux la chaleur, semblable à la plupart des matériaux. Mais à mesure que la compression augmente, la capacité de l'arséniure de bore à conduire la chaleur se détériore, les co-auteurs écrivent dans l'article, intitulé "Dépendance à la pression non monotone de la conductivité thermique de l'arséniure de bore."

Un comportement aussi étrange provient de la manière inhabituelle dont la chaleur est transportée dans l'arséniure de bore, un cristal électriquement isolant dans lequel la chaleur est transportée par des phonons - vibrations des atomes constituant le cristal, dit Broido. "La résistance au flux de chaleur dans des matériaux comme l'arséniure de bore est causée par des collisions se produisant entre les phonons, " il ajouta.

La physique quantique montre que ces collisions se produisent entre au moins trois phonons à la fois, il a dit. Depuis des décennies, on avait supposé que seules les collisions entre trois phonons étaient importantes, surtout pour les bons conducteurs de chaleur.

L'arséniure de bore cubique est inhabituel en ce que la majeure partie de la chaleur est transportée par des phonons qui entrent rarement en collision en triplets, une fonctionnalité prédite il y a plusieurs années par Broido et ses collaborateurs, dont Lucas Lindsay du Laboratoire national d'Oak Ridge et Tom Reinecke du Naval Research Lab.

En réalité, les collisions entre trois phonons sont si rares dans l'arséniure de bore que celles entre quatre phonons, qui était censé être négligeable, rivaliser pour limiter le transport de chaleur, comme le montrent d'autres théoriciens, et par Broido et Ravichandran dans des publications antérieures.

À la suite de ces rares processus de collision entre les triplets de phonons, l'arséniure de bore cubique s'est avéré être un excellent conducteur thermique, comme le confirment les mesures récentes.

Fort de ces dernières découvertes, Ravichandran et Broido ont montré qu'en appliquant une pression hydrostatique, la compétition entre les collisions à trois et quatre phonons peut, En réalité, être modulé dans le matériau.

"Lorsque l'arséniure de bore est comprimé, étonnamment, les collisions à trois phonons deviennent plus fréquentes, tandis que les interactions à quatre phonons deviennent moins fréquentes, provoquant une augmentation puis une diminution de la conductivité thermique, ", a déclaré Ravichandran. "De telles réponses concurrentes de collisions à trois et quatre phonons à la pression appliquée n'ont jamais été prédites ou observées dans aucun autre matériau, ".

Le travail des théoriciens, soutenu par une subvention de l'Initiative de recherche multi-universitaire du Bureau de la recherche navale, devrait être repris par les expérimentateurs pour prouver le concept, dit Broido.

"Cette prédiction scientifique attend confirmation de la mesure, mais les approches théoriques et informatiques utilisées se sont avérées précises à partir de comparaisons avec des mesures sur de nombreux autres matériaux, nous sommes donc convaincus que les expériences mesureront un comportement similaire à ce que nous avons trouvé », a déclaré Broido.

"Plus généralement, l'approche théorique que nous avons développée peut également être utile pour les études du manteau inférieur de la terre où des températures et des pressions très élevées peuvent se produire, " a déclaré Ravichandran. " Étant donné qu'il est difficile d'obtenir des données expérimentales dans les profondeurs de la Terre, notre modèle informatique prédictif peut aider à donner de nouvelles informations sur la nature du flux de chaleur dans les conditions extrêmes de température et de pression qui y existent."