Na última ruga a ser descoberta no arsenieto de boro cúbico, o material incomum contradiz as regras tradicionais que regem a condução de calor, de acordo com um novo relatório de pesquisadores do Boston College na edição de hoje da revista Nature Communications .

Usualmente, quando um material é comprimido, torna-se um melhor condutor de calor. Isso foi descoberto pela primeira vez em estudos há cerca de um século. No arsenieto de boro, a equipe de pesquisa descobriu que quando o material é comprimido, a condutividade primeiro melhora e depois se deteriora.

A explicação é baseada em uma competição incomum entre diferentes processos que fornecem resistência ao calor, de acordo com os co-autores Professor David Broido e Navaneetha K. Ravichandran, um pós-doutorado, do Departamento de Física do Boston College. Esse tipo de comportamento nunca foi previsto ou observado antes.

As descobertas são consistentes com a alta condutividade térmica não convencional que Broido, um físico teórico, e colegas identificaram anteriormente em arsenieto de boro cúbico.

Os cálculos de Ravichandran mostraram que, após a compressão, o material primeiro conduz melhor o calor, semelhante à maioria dos materiais. Mas à medida que a compressão aumenta, a capacidade do arsenieto de boro de conduzir o calor se deteriora, os co-autores escrevem no artigo, intitulado "Dependência de pressão não monotônica da condutividade térmica do arseneto de boro."

Esse comportamento estranho decorre da maneira incomum como o calor é transportado no arsenieto de boro, um cristal eletricamente isolante no qual o calor é transportado pelos fônons - vibrações dos átomos que compõem o cristal, Broido disse. "A resistência ao fluxo de calor em materiais como o arseneto de boro é causada por colisões que ocorrem entre os fônons, " ele adicionou.

A física quântica mostra que essas colisões ocorrem entre pelo menos três fônons de cada vez, ele disse. Por décadas, presumiu-se que apenas as colisões entre três fônons eram importantes, especialmente para bons condutores de calor.

O arsenieto de boro cúbico é incomum, pois a maior parte do calor é transportado por fônons que raramente colidem em trigêmeos, um recurso previsto há vários anos por Broido e colaboradores, incluindo Lucas Lindsay no Oak Ridge National Laboratory e Tom Reinecke do Naval Research Lab.

Na verdade, colisões entre três fônons são tão raras no arsenieto de boro que aquelas entre quatro fônons, que se esperava ser insignificante, competir para limitar o transporte de calor, como mostrado por outros teóricos, e por Broido e Ravichandran em publicações anteriores.

Como resultado desses raros processos de colisão entre trigêmeos de fônons, arsenieto de boro cúbico revelou-se um excelente condutor térmico, conforme confirmado por medições recentes.

Com base nesses insights mais recentes, Ravichandran e Broido mostraram que, aplicando pressão hidrostática, a competição entre as colisões de três fônons e quatro fônons pode, na verdade, ser modulado no material.

"Quando o arsenieto de boro é comprimido, surpreendentemente, colisões de três fônons tornam-se mais frequentes, enquanto as interações de quatro fônons se tornam menos frequentes, fazendo com que a condutividade térmica primeiro aumente e depois diminua, ", Disse Ravichandran." Essas respostas concorrentes de colisões de três fônons e quatro fônons à pressão aplicada nunca foram previstas ou observadas em qualquer outro material, "

O trabalho dos teóricos, apoiado por uma bolsa Multi-University Research Initiative do Office of Naval Research, espera-se que seja adotado por experimentalistas para provar o conceito, Broido disse.

"Esta previsão científica aguarda a confirmação da medição, mas as abordagens teóricas e computacionais utilizadas demonstraram ser precisas a partir de comparações com medições em muitos outros materiais, portanto, estamos confiantes de que os experimentos irão medir o comportamento semelhante ao que encontramos ", disse Broido.

"Mais amplamente, a abordagem teórica que desenvolvemos também pode ser útil para estudos do manto inferior da Terra, onde temperaturas e pressões muito altas podem ocorrer, "disse Ravichandran." Visto que obter dados experimentais nas profundezas da Terra é um desafio, nosso modelo computacional preditivo pode ajudar a fornecer novos insights sobre a natureza do fluxo de calor nas condições extremas de temperatura e pressão que existem lá. "