Os pesquisadores descobriram uma nova propriedade eletrônica na fronteira entre as ciências térmicas e quânticas em uma liga de metal especialmente projetada - e no processo identificaram um material promissor para dispositivos futuros que poderiam ligar e desligar o calor com a aplicação de um interruptor magnético. "

Neste material, elétrons, que têm uma massa no vácuo e na maioria dos outros materiais, movem-se como fótons ou luz sem massa - um comportamento inesperado, mas um fenômeno teoricamente previsto para existir aqui. A liga foi projetada com os elementos bismuto e antimônio em intervalos precisos com base na teoria fundamental.

Sob a influência de um campo magnético externo, os pesquisadores descobriram, esses elétrons de comportamento estranho manipulam o calor de maneiras não vistas em condições normais. Tanto no lado quente quanto no lado frio do material, alguns dos elétrons geram calor, ou energia, enquanto outros absorvem energia, efetivamente transformando o material em uma bomba de energia. O resultado:um aumento de 300% em sua condutividade térmica.

Tire o ímã, e o mecanismo é desligado.

"A geração e absorção formam a anomalia, "disse o autor sênior do estudo Joseph Heremans, professor de engenharia mecânica e aeroespacial e Ohio Eminent Scholar em Nanotecnologia na The Ohio State University. "O calor desaparece e reaparece em outro lugar - é como teletransporte. Isso só acontece em circunstâncias muito específicas previstas pela teoria quântica."

Está Propriedade, e a simplicidade de controlá-lo com um ímã, torna o material um candidato desejável como um interruptor de calor sem partes móveis, semelhante a um transistor que alterna as correntes elétricas ou uma torneira que alterna a água, que poderia resfriar computadores ou aumentar a eficiência de usinas de energia solar térmica.

"Termostatos de estado sólido sem peças móveis são extremamente desejáveis, mas eles não existem, "Heremans disse." Este é um dos possíveis mecanismos que levariam a um. "

A pesquisa foi publicada hoje (7 de junho, 2021) no jornal Materiais da Natureza .

A liga de bismuto-antimônio está entre uma classe de materiais quânticos chamados semimetais de Weyl, cujos elétrons não se comportam como esperado. Eles são caracterizados por propriedades que incluem partículas carregadas negativamente e positivamente, elétrons e buracos, respectivamente, que se comportam como partículas "sem massa". Também faz parte de um grupo chamado de materiais topológicos, seus elétrons reagem como se o material contivesse campos magnéticos internos que permitem o estabelecimento de novos caminhos ao longo dos quais essas partículas se movem.

Na física, uma anomalia - a geração e absorção de elétrons de calor descoberta neste estudo - refere-se a certas simetrias que estão presentes no mundo clássico, mas são quebradas no mundo quântico, disse o co-autor do estudo Nandini Trivedi, professor de física no estado de Ohio.

Ligas de bismuto e outros materiais semelhantes também apresentam condução clássica como a maioria dos metais, pelo qual átomos vibrando em uma rede cristalina e o movimento dos elétrons transportam calor. Trivedi descreveu o novo caminho ao longo do qual elétrons semelhantes à luz manipulam o calor entre si como uma estrada que parece surgir do nada.

"Imagine se você estivesse morando em uma pequena cidade com estradas estreitas, e de repente há uma rodovia que se abre, "disse ela." Este caminho em particular só se abre se você aplicar um gradiente térmico em uma direção e um campo magnético na mesma direção. Assim, você pode facilmente fechar a rodovia colocando o campo magnético em uma direção perpendicular.

"Nenhuma dessas rodovias existe em metais comuns."

Quando um metal como o cobre é aquecido e os elétrons fluem da extremidade quente para a extremidade fria, tanto o calor quanto a carga se movem juntos. Por causa da forma como esta rodovia se abre no material semimetal Weyl experimental, não há movimento de carga líquida - apenas movimento de energia. A absorção de calor por certos elétrons representa uma quebra na quiralidade, ou direcionalidade, o que significa que é possível bombear energia entre duas partículas que não deveriam interagir - outra característica dos semimetais de Weyl.

Os físicos teóricos e engenheiros que colaboraram neste estudo previram que essas propriedades existiam em ligas de bismuto específicas e outros materiais topológicos. Para esses experimentos, os cientistas construíram a liga especializada para testar suas previsões.

"Trabalhamos muito para sintetizar o material correto, que foi projetado desde o início por nós para mostrar esse efeito. Era importante purificá-lo bem abaixo dos níveis de impurezas que você encontra na natureza, "Heremans disse. Como composto, a liga minimizou a condução de fundo para que os pesquisadores pudessem detectar o comportamento dos elétrons sem massa, conhecido como Weyl Fermions.

"Em materiais comuns, os elétrons arrastam consigo um pequeno ímã. Contudo, a peculiar estrutura eletrônica dessas ligas de bismuto significa que os elétrons se arrastam em torno de um ímã quase 50 vezes maior do que o normal, "disse Michael Flatté, professor de física e astronomia na Universidade de Iowa e co-autor do estudo. "Esses imensos ímãs subatômicos permitiram que o novo estado eletrônico fosse formado usando campos magnéticos de laboratório.

"Esses resultados mostram que as teorias desenvolvidas para a física de alta energia e as teorias de partículas subatômicas podem muitas vezes ser realizadas em materiais eletrônicos especialmente projetados."

Como tudo quântico, Heremans disse, "o que observamos parece um pouco mágico, mas isso é o que nossas equações dizem que deveria fazer e isso é o que provamos experimentalmente que ele faz. "

Um problema:o mecanismo neste material funciona apenas em baixa temperatura, abaixo de menos 100 graus Fahrenheit. Com os fundamentos agora compreendidos, os pesquisadores têm muitas opções enquanto trabalham em direção a aplicações potenciais.

"Agora sabemos quais materiais procurar e de que pureza precisamos, "Heremans disse." É assim que passamos da descoberta de um fenômeno físico para um material de engenharia. "