Les chercheurs ont découvert une nouvelle propriété électronique à la frontière entre les sciences thermiques et quantiques dans un alliage métallique spécialement conçu et, ce faisant, ont identifié un matériau prometteur pour les futurs appareils qui pourraient allumer et éteindre la chaleur avec l'application d'un "interrupteur magnétique". "

Dans ce matériau, électrons, qui ont une masse dans le vide et dans la plupart des autres matériaux, se déplacer comme des photons sans masse ou de la lumière - un comportement inattendu, mais un phénomène théoriquement prédit pour exister ici. L'alliage a été conçu avec les éléments bismuth et antimoine à des plages précises basées sur la théorie fondamentale.

Sous l'influence d'un champ magnétique extérieur, les chercheurs ont trouvé, ces électrons au comportement étrange manipulent la chaleur d'une manière qu'on ne voit pas dans des conditions normales. Sur les deux côtés chauds et froids du matériau, certains des électrons génèrent de la chaleur, ou d'énergie, tandis que d'autres absorbent de l'énergie, transformer efficacement le matériau en une pompe à énergie. Le résultat :Une augmentation de 300 % de sa conductivité thermique.

Enlevez l'aimant, et le mécanisme est éteint.

"La génération et l'absorption forment l'anomalie, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Joseph Heremans, professeur de génie mécanique et aérospatial et Ohio Eminent Scholar en nanotechnologie à l'Ohio State University. "La chaleur disparaît et réapparaît ailleurs - c'est comme la téléportation. Cela ne se produit que dans des circonstances très spécifiques prédites par la théorie quantique."

Cette propriété, et la simplicité de le contrôler avec un aimant, fait du matériau un candidat souhaitable comme interrupteur thermique sans pièces mobiles, semblable à un transistor qui commute les courants électriques ou un robinet qui commute l'eau, qui pourraient refroidir les ordinateurs ou augmenter l'efficacité des centrales solaires thermiques.

« Les interrupteurs thermiques à semi-conducteurs sans pièces mobiles sont extrêmement souhaitables, mais ils n'existent pas, " Heremans a déclaré. "C'est l'un des mécanismes possibles qui pourraient conduire à un."

La recherche est publiée aujourd'hui (7 juin, 2021) dans la revue Matériaux naturels .

L'alliage bismuth-antimoine fait partie d'une classe de matériaux quantiques appelés semi-métaux de Weyl, dont les électrons ne se comportent pas comme prévu. Ils sont caractérisés par des propriétés qui incluent des particules chargées négativement et positivement, électrons et trous, respectivement, qui se comportent comme des particules "sans masse". Faisant également partie d'un groupe appelé matériaux topologiques, leurs électrons réagissent comme si le matériau contenait des champs magnétiques internes qui permettent l'établissement de nouvelles voies le long desquelles ces particules se déplacent.

En physique, une anomalie - la génération et l'absorption de chaleur des électrons découvertes dans cette étude - fait référence à certaines symétries présentes dans le monde classique mais brisées dans le monde quantique, a déclaré le co-auteur de l'étude Nandini Trivedi, professeur de physique à l'Ohio State.

Les alliages de bismuth et autres matériaux similaires présentent également une conduction classique comme la plupart des métaux, par lequel les atomes vibrants dans un réseau cristallin et le mouvement des électrons transportent de la chaleur. Trivedi a décrit la nouvelle voie le long de laquelle les électrons semblables à la lumière manipulent la chaleur entre eux comme une autoroute qui semble surgir de nulle part.

"Imaginez si vous viviez dans une petite ville qui avait de petites routes, et soudain il y a une autoroute qui s'ouvre, " dit-elle. "Cette voie particulière ne s'ouvre que si vous appliquez un gradient thermique dans une direction et un champ magnétique dans la même direction. Ainsi, vous pouvez facilement fermer l'autoroute en plaçant le champ magnétique dans une direction perpendiculaire.

"Aucune telle autoroute n'existe dans les métaux ordinaires."

Lorsqu'un métal comme le cuivre est chauffé et que des électrons circulent de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide, la chaleur et la charge se déplacent ensemble. En raison de la façon dont cette autoroute s'ouvre dans le matériau semi-métal expérimental Weyl, il n'y a pas de mouvement de charge net, seulement un mouvement d'énergie. L'absorption de chaleur par certains électrons représente une rupture de chiralité, ou directivité, ce qui signifie qu'il est possible de pomper de l'énergie entre deux particules qui ne devraient pas interagir, une autre caractéristique des semi-métaux de Weyl.

Les physiciens théoriciens et les ingénieurs qui ont collaboré à cette étude ont prédit que ces propriétés existaient dans des alliages de bismuth spécifiques et d'autres matériaux topologiques. Pour ces expériences, les scientifiques ont construit l'alliage spécialisé pour tester leurs prédictions.

"Nous avons travaillé dur pour synthétiser le bon matériel, qui a été conçu à partir de zéro par nous pour montrer cet effet. Il était important de le purifier bien en dessous des niveaux d'impuretés que l'on trouve dans la nature, " Heremans a dit. Comme composé, l'alliage a minimisé la conduction de fond afin que les chercheurs puissent détecter le comportement des électrons sans masse, connu sous le nom de Weyl Fermions.

« Dans les matériaux ordinaires, les électrons traînent avec eux un petit aimant. Cependant, la structure électronique particulière de ces alliages de bismuth signifie que les électrons traînent autour d'un aimant presque 50 fois plus gros que la normale, " a déclaré Michel Flatté, professeur de physique et d'astronomie à l'Université de l'Iowa et co-auteur de l'étude. "Ces énormes aimants subatomiques ont permis de former le nouvel état électronique à l'aide de champs magnétiques de laboratoire.

"Ces résultats montrent que les théories développées pour la physique des hautes énergies et les théories des particules subatomiques peuvent souvent être réalisées dans des matériaux électroniques spécialement conçus."

Comme tout quantique, Heremans a dit, "ce que nous avons observé ressemble un peu à de la magie, mais c'est ce que nos équations disent qu'il devrait faire et c'est ce que nous avons prouvé expérimentalement qu'il le fait."

Un hic :le mécanisme de ce matériau ne fonctionne qu'à basse température, en dessous de moins 100 degrés Fahrenheit. Maintenant que les fondamentaux sont compris, les chercheurs ont beaucoup d'options alors qu'ils travaillent vers des applications potentielles.

« Maintenant, nous savons quels matériaux rechercher et de quelle pureté nous avons besoin, " a déclaré Heremans. " C'est ainsi que nous passons de la découverte d'un phénomène physique à un matériau d'ingénierie. "