科学家报告了一种可以在电控制下传递热量的准粒子

科学家们已经发现了称为铁电体的固体材料特性背后的秘密，表明在振动原子之间以波状模式移动的准粒子携带足够的热量，当外部施加电场时，将材料变成热开关。

该研究的一个关键发现是，这种对热导率的控制归因于材料的结构，而不是原子之间的任何随机碰撞。具体来说，研究人员描述了称为铁元的准粒子，它们的极化在振动原子之间“摆动”时会发生变化 - 正是有序的摆动和极化，接受外部施加的电场，决定了材料以不同的速率传递热量的能力。

“我们发现，这些原子位置的变化，以及振动性质的变化，必须携带热量，因此改变这种振动的外部场必须影响导热性，”资深作者Joseph Hermans说，他是俄亥俄州立大学机械和航空航天工程，材料科学与工程和物理学教授。

“人们倾向于认为原子振动是一个给定的事实，对电场或磁场没有反应。我们说你可以用电场影响它们。

通过使用简单的外部电刺激，这种材料的导热系数可以在室温下改变，而不是在控制固态热开关的大多数候选材料所需的极低温度下改变，从而增强了该技术实际应用的可能性，研究人员说。

该研究于今天(1 年 2023 月 <> 日)发表在《科学进展》杂志上。

研究中使用的材料是一种常见的钛酸铅锆陶瓷，属于一类称为压电体的材料，当施加电场或在机械应力下产生电荷时，它们会改变形状。

铁电体是压电体的一个子集，是原子上的电荷可以自发形成电偶极子的材料，这些电偶极子都朝同一方向排列，形成所谓的极化。这些偶极子可以通过外部电场进行切换。

到目前为止，科学家们还没有正式写下当加热时这种极化将如何移动。在这篇新文章中，通过引入准粒子(称为铁元)来描述这种运动，它同时携带极化波和热波。铁元对外部电场敏感，这意味着外部电场的应用可以将材料变成热开关。

“准粒子一直在那里。它只是没有被识别和测量，“第一作者Brandi Wooten说，他是俄亥俄州立大学材料科学与工程专业的博士生。

Wooten 将费隆的行为比作体育场波，每个体育迷代表一个聚集在晶体中的原子细胞。

“你有所有这些原子，它们有这个特殊的偶极子 - 一个带有电荷的原子，上下移动产生偶极子。你可以把人们的手举起来做波浪看作是偶极子的力量——如果他们的手举起来，它真的很强大。如果他们有点下降，它就会更弱，如果他们一直下降，那就是负面的，“她说。“这就是偶极子的力量。我们发现这些特殊的波同时携带热量和极化，我们称它们为铁元。

这种传热特性是由电场通过一种称为压电应变的现象引起的：当施加电压时，晶格收缩或拉伸，它们之间的原子和力来回移动，最终改变材料的机械性能，从而改变其导热性，赫尔曼斯说，他也是俄亥俄州纳米技术杰出学者。

“铁元对固体中的应变也很敏感。由于铁携带热量，这使得携带的热量取决于电场，“他说。“因此，我们写了一个新理论，将外部电场，它在铁电体中引起的应变以及最终该应变如何影响导热性联系起来。

该理论是预测性的，因此研究人员现在可以用它来寻找效果更大的材料，最终导致材料足够大，可用于日常应用中的热开关，如太阳能收集。

在材料上施加电场在最大和最小电导率之间产生了2%的差异 - 正如新理论预测的那样。Wooten说，通过测量材料声波的速度以及平衡和传输特性来量化原子振动的一系列实验验证了“这一切都取决于材料结构，而不一定是散射振动的原因”。

研究人员现在正在研究其他材料，正如新理论预测的那样，这些材料可能会使导热系数的变化增加多达15%。

“任何应用都取决于我们找到一种效果更大的材料，”赫尔曼斯说。“我们正在寻找具有正确参数的材料。

其他合著者包括国立材料科学研究所的井口亮和内田健一;东北大学的唐平和格里特·鲍尔;和俄亥俄州立大学的Joon Sang Kang。

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