Необычный материал, выделяющий тепло при сжатии. Согласно новому отчету исследователей из Бостонского колледжа в сегодняшнем выпуске журнала Nature Communications, в последней морщине, обнаруженной в кубическом арсениде бора, необычный материал противоречит традиционным правилам, регулирующим теплопроводность.

Фото: Википедия. Фонон распространяется через квадратную решетку (смещения атомов сильно преувеличены).

Обычно, когда материал сжимается, он становится лучшим проводником тепла. Это было впервые обнаружено в исследованиях около века назад. В отношении арсенида бора исследовательская группа обнаружила, что при сжатии материала проводимость сначала улучшается, а затем ухудшается.

Объяснение основано на необычной конкуренции между различными процессами, которые обеспечивают термостойкость, по словам соавторов профессора Дэвида Бройдо и Наваниты К. Равичандран, постдокторанта кафедры физики в Бостонском колледже. Этот тип поведения никогда не был предсказан или наблюдался раньше.

Полученные данные согласуются с нетрадиционной высокой теплопроводностью, которую физик-теоретик Бройдо и его коллеги ранее идентифицировали в кубическом арсениде бора.

Расчеты Равичандрана показали, что при сжатии материал сначала проводит тепло лучше, чем большинство материалов. Но с увеличением сжатия способность арсенида бора проводить тепло ухудшается, соавторы пишут в статье под названием «Немонотонная зависимость теплопроводности арсенида бора от давления».

Такое странное поведение проистекает из необычного способа передачи тепла в арсениде бора, электрически изолирующем кристалле, в котором тепло переносится фононами — вибрации атомов, составляющих кристалл, сказал Бройдо. «Сопротивление потоку тепла в таких материалах, как арсенид бора, вызвано столкновениями между фононами», — добавил он.

Квантовая физика показывает, что эти столкновения происходят, по крайней мере, между тремя фононами одновременно, сказал он. В течение десятилетий предполагалось, что важны только столкновения между тремя фононами, особенно для хороших проводников тепла.

Кубический арсенид бора необычен тем, что большая часть тепла переносится фононами, которые редко сталкиваются в триплетах, что было предсказано несколько лет назад Broido и его сотрудниками, включая Лукаса Линдсея из Национальной лаборатории Ок-Риджа и Тома Райнеке из Лаборатории военно-морских исследований.

Фактически, столкновения между тремя фононами в арсениде бора настолько редки, что те между четырьмя фононами, которые, как ожидалось, будут незначительными, конкурируют за ограничение переноса тепла, как показали другие теоретики, а также Бройдо и Равичандран в более ранних публикациях.

В результате таких редких процессов столкновений среди фононных триплетов кубический арсенид бора оказался отличным проводником тепла, что подтверждается недавними измерениями.

Опираясь на эти последние идеи, Равичандран и Бройдо показали, что при применении гидростатического давления конкуренция между трехфононными и четырехфононными столкновениями может фактически модулироваться в материале.

«Когда арсенид бора сжимается, неожиданно, трехфононные столкновения становятся более частыми, тогда как четырехфононные взаимодействия становятся менее частыми, в результате чего теплопроводность сначала увеличивается, а затем уменьшается», — сказал Равичандран. «Подобные конкурирующие отклики трехфононных и четырехфононных столкновений на приложенное давление никогда не прогнозировались и не наблюдались ни в одном другом материале».

По словам Бройдо, работа теоретиков, поддержанная грантом исследовательской инициативы для нескольких университетов от Управления военно-морских исследований, как ожидается, будет продолжена экспериментаторами для подтверждения этой концепции.

«Это научное предсказание ожидает подтверждения от измерений, но теоретический и вычислительный подходы были продемонстрированы как точные при сравнении с измерениями на многих других материалах, поэтому мы уверены, что эксперименты будут измерять поведение, подобное тому, что мы обнаружили», — сказал Бройдо.

«В более широком смысле, теоретический подход, который мы разработали, также может быть полезен для изучения нижней мантии Земли, где могут возникнуть очень высокие температуры и давления», — сказал Равичандран. «Поскольку получение экспериментальных данных в глубине Земли является сложной задачей, наша прогнозирующая вычислительная модель может помочь дать новое понимание природы теплового потока при экстремальных условиях температуры и давления, которые там существуют».

По материалам phys.org