En la última arruga que se ha descubierto en el arseniuro de boro cúbico, el material inusual contradice las reglas tradicionales que gobiernan la conducción de calor, según un nuevo informe de investigadores del Boston College en la edición de hoy de la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Generalmente, cuando se comprime un material, se convierte en un mejor conductor del calor. Eso se encontró por primera vez en estudios hace aproximadamente un siglo. En arseniuro de boro, el equipo de investigación descubrió que cuando el material se comprime, la conductividad primero mejora y luego se deteriora.

La explicación se basa en una competencia inusual entre diferentes procesos que brindan resistencia al calor, según los coautores, el profesor David Broido y Navaneetha K. Ravichandran, un becario postdoctoral, del Departamento de Física del Boston College. Este tipo de comportamiento nunca antes se había predicho u observado.

Los hallazgos son consistentes con la alta conductividad térmica no convencional que Broido, un físico teórico, y colegas han identificado previamente en arseniuro de boro cúbico.

Los cálculos de Ravichandran mostraron que tras la compresión, el material primero conduce mejor el calor, similar a la mayoría de los materiales. Pero a medida que aumenta la compresión, la capacidad del arseniuro de boro para conducir el calor se deteriora, los coautores escriben en el artículo, titulado "Dependencia de la presión no monótona de la conductividad térmica del arseniuro de boro".

Un comportamiento tan extraño se debe a la forma inusual en que se transporta el calor en el arseniuro de boro, un cristal eléctricamente aislante en el que el calor es transportado por fonones:vibraciones de los átomos que forman el cristal, Broido dijo. "La resistencia al flujo de calor en materiales como el arseniuro de boro es causada por colisiones que ocurren entre fonones, "añadió.

La física cuántica muestra que estas colisiones ocurren entre al menos tres fonones a la vez, él dijo. Por décadas, se había asumido que solo las colisiones entre tres fonones eran importantes, especialmente para buenos conductores de calor.

El arseniuro de boro cúbico es inusual porque la mayor parte del calor es transportado por fonones que rara vez chocan en tripletes, una característica predicha hace varios años por Broido y colaboradores, incluyendo a Lucas Lindsay del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y Tom Reinecke del Laboratorio de Investigación Naval.

De hecho, Las colisiones entre tres fonones son tan infrecuentes en el arseniuro de boro que aquellas entre cuatro fonones, que se esperaba que fuera insignificante, competir para limitar el transporte de calor, como lo muestran otros teóricos, y por Broido y Ravichandran en publicaciones anteriores.

Como resultado de procesos de colisión tan raros entre tripletes de fonones, el arseniuro de boro cúbico ha resultado ser un excelente conductor térmico, como lo confirman las mediciones recientes.

Basándose en estos últimos conocimientos, Ravichandran y Broido han demostrado que al aplicar presión hidrostática, La competencia entre colisiones de tres y cuatro fonones puede, De hecho, modularse en el material.

"Cuando se comprime el arseniuro de boro, asombrosamente, las colisiones de tres fonones se vuelven más frecuentes, mientras que las interacciones de cuatro fonones se vuelven menos frecuentes, haciendo que la conductividad térmica primero aumente y luego disminuya, ", Dijo Ravichandran." Tales respuestas competitivas de colisiones de tres y cuatro fonones a la presión aplicada nunca se han predicho u observado en ningún otro material, ".

El trabajo de los teóricos, apoyado por una subvención de la Iniciativa de Investigación Multiuniversitaria de la Oficina de Investigación Naval, Se espera que los experimentadores lo adopten para probar el concepto, Broido dijo.

"Esta predicción científica espera la confirmación de la medición, pero se ha demostrado que los enfoques teóricos y computacionales utilizados son precisos a partir de comparaciones con mediciones en muchos otros materiales, por lo que estamos seguros de que los experimentos medirán un comportamiento similar al que encontramos ", dijo Broido.

"Mas ampliamente, el enfoque teórico que desarrollamos también puede ser útil para estudios del manto inferior de la Tierra donde pueden ocurrir temperaturas y presiones muy altas, ", dijo Ravichandran." Dado que obtener datos experimentales en las profundidades de la Tierra es un desafío, nuestro modelo computacional predictivo puede ayudar a brindar nuevos conocimientos sobre la naturaleza del flujo de calor en las condiciones extremas de temperatura y presión que existen allí ".