Des scientifiques rapportent une quasi-particule capable de transférer de la chaleur sous contrôle électrique

Les scientifiques ont découvert le secret d’une propriété des matériaux solides connue sous le nom de ferroélectriques, montrant que les quasi-particules se déplaçant selon des motifs ondulatoires parmi les atomes vibrants transportent suffisamment de chaleur pour transformer le matériau en un interrupteur thermique lorsqu’un champ électrique est appliqué à l’extérieur.

L’une des principales conclusions de l’étude est que ce contrôle de la conductivité thermique est attribuable à la structure du matériau plutôt qu’à des collisions aléatoires entre les atomes. Plus précisément, les chercheurs décrivent des quasi-particules appelées ferrons dont la polarisation change lorsqu’ils “se tortillent” entre des atomes vibrants – et c’est ce tremblement et cette polarisation ordonnés, réceptifs à l’application externe champ électriquequi dicte la capacité du matériau à transférer la chaleur à un rythme différent.

“Nous avons compris que ce changement de position de ces atomes, et le changement de la nature des vibrations, doivent transporter de la chaleur, et donc le champ externe qui modifie cette vibration doit affecter la conductivité thermique”, a déclaré l’auteur principal Joseph Heremans, professeur. du génie mécanique et aérospatial, la science des matériaux et l’ingénierie et la physique à l’Ohio State University.

“Les gens ont tendance à penser que les vibrations atomiques sont un fait donné et ne répondent pas à un champ électrique ou un champ magnétique. Et nous disons que vous pouvez les affecter avec un champ électrique.”

Avec l’utilisation d’un simple stimulus électrique externe, la conductivité thermique de ce type de matériau peut être modifiée à température ambiante plutôt qu’aux températures extrêmement basses requises pour contrôler la plupart des matériaux candidats pour les interrupteurs thermiques à semi-conducteurs, améliorant les possibilités d’applications réelles de la technologie, selon les chercheurs.

L’étude est publiée aujourd’hui (1er février 2023) dans la revue Avancées scientifiques.

Le matériau utilisé dans l’étude est une céramique de titanate de zirconium de plomb commune appartenant à une classe de matériaux appelés piézoélectriquesqui changent de forme lorsqu’un champ électrique leur est appliqué ou produisent une charge électrique sous contrainte mécanique.

Les ferroélectriques, un sous-ensemble des piézoélectriques, sont des matériaux dans lesquels les charges électriques sur les atomes peuvent former spontanément des dipôles électriques qui s’alignent tous dans la même direction, formant ce qu’on appelle la polarisation. Ces dipôles peuvent être commutés par un champ électrique extérieur.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas formellement écrit comment cette polarisation se déplacerait lorsque la chaleur serait appliquée. Dans ce nouvel article, cette motion est décrite en introduisant le quasi-particule-appelé un ferron-qui transporte des ondes de polarisation et de chaleur en même temps. Le ferron est sensible à un champ électrique externe, ce qui signifie que l’application d’un champ électrique externe peut transformer le matériau en interrupteur thermique.

“La quasi-particule a toujours été là. Elle n’a tout simplement pas été identifiée et mesurée”, a déclaré le premier auteur Brandi Wooten, titulaire d’un doctorat. étudiant en science et ingénierie des matériaux à Ohio State.

Wooten a comparé le comportement des ferrons à une vague de stade, chaque fan de sport représentant une cellule d’atomes rassemblés dans un cristal.

“Vous avez tous ces atomes, et ils ont ce dipôle spécial – un atome avec une charge électrique qui monte et descend crée un dipôle. Vous pouvez penser aux mains des gens qui montent en faisant l’onde comme la force du dipôle – si leurs mains sont levées , c’est vraiment fort. S’ils sont un peu en bas, c’est plus faible, et s’ils sont tout en bas, c’est négatif », a-t-elle déclaré. “C’est la force du dipôle. Nous avons découvert que ces ondes spéciales transportent à la fois la chaleur et la polarisation, et nous les avons appelées ferrons.”

Cette propriété de transfert de chaleur est induite par le champ électrique à travers un phénomène connu sous le nom de déformation piézoélectrique : le réseau se contracte ou s’étire lorsque la tension est appliquée, les atomes et les forces entre eux se déplaçant d’avant en arrière, modifiant finalement les propriétés mécaniques du matériau. et, par conséquent, en modifiant sa conductivité thermique, a déclaré Heremans, également éminent chercheur de l’Ohio en nanotechnologie.

“Le ferron est également sensible à la déformation dans le solide. Étant donné que le ferron transporte de la chaleur, cela rend la quantité de chaleur transportée dépendante du champ électrique”, a-t-il déclaré. “Nous avons donc écrit une nouvelle théorie qui relie un champ électrique externe, la contrainte qu’il induit dans un ferroélectrique, et finalement comment cette contrainte affecte la conductivité thermique.”

La théorie est prédictive, de sorte que les chercheurs peuvent désormais l’utiliser pour trouver des matériaux où l’effet est beaucoup plus important, conduisant finalement à des matériaux suffisamment grands pour être utilisés dans des interrupteurs thermiques dans des applications quotidiennes, comme la collecte d’énergie solaire.

L’application d’un champ électrique au matériau a produit une différence de 2% entre la conductivité maximale et minimale – comme la nouvelle théorie prédit que ce serait le cas. Une série d’expériences quantifiant les vibrations atomiques en mesurant la vitesse des ondes sonores du matériau et les propriétés d’équilibre et de transport ont validé “que tout dépend uniquement de la structure du matériau, pas nécessairement de ce qui diffuse les vibrations”, a déclaré Wooten.

Les chercheurs étudient actuellement d’autres matériaux qui pourraient augmenter ce changement de conductivité thermique jusqu’à 15 %, comme le prédit la nouvelle théorie.

“Toute application dépend de notre capacité à trouver un matériau où l’effet est beaucoup plus important”, a déclaré Heremans. “Nous recherchons des matériaux qui ont les bons paramètres.”

Les autres co-auteurs incluent Ryo Iguchi et Ken-ichi Uchida de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon ; Ping Tang et Gerrit Bauer de l’Université du Tohoku ; et Joon Sang Kang de l’État de l’Ohio.