Los investigadores han descubierto una nueva propiedad electrónica en la frontera entre las ciencias térmicas y cuánticas en una aleación de metal especialmente diseñada, y en el proceso identificaron un material prometedor para dispositivos futuros que podrían encender y apagar el calor con la aplicación de un interruptor magnético. "

En este material, electrones, que tienen una masa en el vacío y en la mayoría de los otros materiales, se mueven como fotones sin masa o luz, un comportamiento inesperado, pero un fenómeno teóricamente predicho que existirá aquí. La aleación fue diseñada con los elementos bismuto y antimonio en rangos precisos basados ​​en la teoría fundamental.

Bajo la influencia de un campo magnético externo, los investigadores encontraron, estos electrones de comportamiento extraño manipulan el calor de formas que no se ven en condiciones normales. Tanto en el lado frío como en el caliente del material, algunos de los electrones generan calor, o energía, mientras que otros absorben energía, convirtiendo efectivamente el material en una bomba de energía. El resultado:un aumento del 300% en su conductividad térmica.

Quita el imán y el mecanismo se apaga.

"La generación y la absorción forman la anomalía, "dijo el autor principal del estudio, Joseph Heremans, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y académico eminente de Ohio en nanotecnología en la Universidad Estatal de Ohio. "El calor desaparece y reaparece en otros lugares, es como la teletransportación. Sólo ocurre en circunstancias muy específicas predichas por la teoría cuántica".

Esta propiedad, y la sencillez de controlarlo con un imán, hace que el material sea un candidato deseable como interruptor de calor sin partes móviles, similar a un transistor que cambia corrientes eléctricas o un grifo que cambia el agua, que podría enfriar computadoras o aumentar la eficiencia de las plantas de energía termosolar.

"Los interruptores de calor de estado sólido sin partes móviles son extremadamente deseables, pero no existen ", Dijo Heremans." Este es uno de los posibles mecanismos que llevarían a uno ".

La investigación se publica hoy (7 de junio de 2021) en la revista Materiales de la naturaleza .

La aleación de bismuto-antimonio se encuentra entre una clase de materiales cuánticos llamados semimetales de Weyl, cuyos electrones no se comportan como se esperaba. Se caracterizan por propiedades que incluyen partículas cargadas negativa y positivamente, electrones y huecos, respectivamente, que se comportan como partículas "sin masa". También forma parte de un grupo llamado materiales topológicos, sus electrones reaccionan como si el material contuviera campos magnéticos internos que permiten el establecimiento de nuevas vías a lo largo de las cuales se mueven esas partículas.

En física, una anomalía (la generación y absorción de calor de los electrones descubierta en este estudio) se refiere a ciertas simetrías que están presentes en el mundo clásico pero que se rompen en el mundo cuántico, dijo el coautor del estudio Nandini Trivedi, profesor de física en el estado de Ohio.

Las aleaciones de bismuto y otros materiales similares también presentan conducción clásica como la mayoría de los metales, por el cual los átomos vibrantes en una red cristalina y el movimiento de los electrones transportan calor. Trivedi describió la nueva vía a través de la cual los electrones parecidos a la luz manipulan el calor entre sí como una carretera que parece surgir de la nada.

"Imagínese si viviera en una pequeña ciudad con carreteras pequeñas, y de repente hay una carretera que se abre, ", dijo." Esta vía en particular sólo se abre si se aplica un gradiente térmico en una dirección y un campo magnético en la misma dirección. Por lo tanto, puede cerrar fácilmente la carretera colocando el campo magnético en una dirección perpendicular.

"No existen tales carreteras en metales comunes".

Cuando un metal como el cobre se calienta y los electrones fluyen desde el extremo caliente al extremo frío, tanto el calor como la carga se mueven juntos. Debido a la forma en que esta carretera se abre en el material semimetálico experimental Weyl, no hay movimiento de carga neta, solo movimiento de energía. La absorción de calor por ciertos electrones representa una ruptura en la quiralidad, o direccionalidad, lo que significa que es posible bombear energía entre dos partículas que no se espera que interactúen, otra característica de los semimetales de Weyl.

Los físicos e ingenieros teóricos que colaboraron en este estudio predijeron que estas propiedades existían en aleaciones de bismuto específicas y otros materiales topológicos. Para estos experimentos, los científicos construyeron la aleación especializada para probar sus predicciones.

"Trabajamos duro para sintetizar el material correcto, que fue diseñado desde cero por nosotros para mostrar este efecto. Era importante purificarlo muy por debajo de los niveles de impurezas que encuentras en la naturaleza, "Heremans dijo. Según lo compuesto, la aleación minimizó la conducción de fondo para que los investigadores pudieran detectar el comportamiento de los electrones sin masa, conocido como Weyl Fermions.

"En materiales ordinarios, los electrones arrastran consigo un pequeño imán. Sin embargo, la peculiar estructura electrónica de estas aleaciones de bismuto significa que los electrones se arrastran alrededor de un imán casi 50 veces más grande de lo normal, "dijo Michael Flatté, profesor de física y astronomía en la Universidad de Iowa y coautor del estudio. “Estos enormes imanes subatómicos permitieron que se formara el nuevo estado electrónico utilizando campos magnéticos de laboratorio.

"Estos resultados muestran que las teorías desarrolladas para la física de altas energías y las teorías de partículas subatómicas a menudo se pueden realizar en materiales electrónicos especialmente diseñados".

Como todo lo cuántico Heremans dijo, "lo que observamos se parece un poco a la magia, pero eso es lo que nuestras ecuaciones dicen que debería hacer y eso es lo que probamos experimentalmente que hace ".

Un inconveniente:el mecanismo de este material funciona solo a baja temperatura, por debajo de menos 100 grados Fahrenheit. Con los fundamentos ahora entendidos, los investigadores tienen muchas opciones mientras trabajan en aplicaciones potenciales.

"Ahora sabemos qué materiales buscar y qué pureza necesitamos, ", Dijo Heremans." Así es como pasamos del descubrimiento de un fenómeno físico a un material de ingeniería ".