Pagina 25 (PL)  B3-2023 PNKV BiuletynOnline.

Cieplne fale

Wbrew klasycznemu prawu fizyki

Podstawową zasadą fizyki uniwersyteckiej jest to, że wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta również przewodność cieplna, ponieważ ściśnięte atomy oddziałują na siebie w większym stopniu.

Ponad sto lat badań potwierdziło tę regułę. Jednak inżynierowie znaleźli teraz wyjątek: gdy zastosowali intensywne ciśnienie do arsenku boru, niedawno odkrytego materiału półprzewodnikowego, przewodność cieplna spadła. Odkrycie to, opisane w Nature, stanowi wyzwanie dla ustalonej teorii i potencjalnie podważa obecne modele zachowania się substancji w ekstremalnych warunkach.

"Teraz, gdy dokonaliśmy pierwszego odkrycia, uważamy, że nie może to być jedyny materiał o nietypowym zachowaniu" - mówi główny autor badania Yongjie Hu, chemik i inżynier mechanik z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles. Jeśli inne substancje wykazują tę właściwość, "ustalone zrozumienie przewodnictwa cieplnego może nie być prawidłowe". We wcześniejszych badaniach Hu i inni naukowcy zidentyfikowali arsenek boru jako posiadający wyjątkowo wysoką przewodność cieplną. Naukowcy obliczyli również, że konwencjonalne zasady przewodnictwa cieplnego mogą w pewnych okolicznościach nie syosować się do niego.

Aby przetestować te przewidywania, Hu i jego koledzy umieścili niewielki kawałek arsenku boru o grubości mniejszej niż 100 mikronów w szczelinie między dwoma diamentami. Przyłożyli nacisk do diamentowej kanapki, aby wytworzyć siłę na arsenku boru setki razy większą niż na dnie oceanu. Naukowcy wykorzystali ultraszybką optykę, spektroskopię i promieniowanie rentgenowskie, aby udokumentować, w jaki sposób przewodność cieplna arsenku boru zaczyna spadać i jak ciepło rozchodzi się po próbce gdy jest poddawane intensywnemu ciśnieniu. Zaobserwowali, że spadek ten wynika z nakładania się na siebie i wzajemnego znoszenia fal cieplnych - zjawiska przewidywanego przez mechanikę kwantową.

Jeśli Hu i jego koledzy będą w stanie wykazać, że to zachowanie uogólnia się na inne materiały, fizycy mogą być zmuszeni do zmiany ustalonych modeli dla środowisk takich jak przestrzeń kosmiczna lub wnętrza planet, w tym Ziemi. To ostatnie mogłoby zmienić przewidywania dotyczące zmian klimatu, ponieważ temperatury na powierzchnie zależą od tego, co dzieje się wewnątrz planety.

Nowe badanie dostarcza pierwszych i do tej pory najlepszych dowodów eksperymentalnych, aby pokazać, że na przewodność cieplną można wpływać . Odkrycie to otwiera możliwość zaawansowanych technologii, które oszczędzają energię i chłodzą elektronikę poprzez kontrolowanie przewodności cieplnej.

Rachel Nuwer

- - -