科学家报告了一种可以在电控下传递热量的准粒子

科学家们发现了被称为铁电体的固体材料特性背后的秘密，表明在振动的原子中以波状模式移动的准粒子携带足够的热量，在外部施加电场时将材料转变为热开关。

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电子的准粒子，当它们在振动原子之间“摆动”时，它们的极化会发生变化——正是这种有序的摆动和极化，接受外部施加的电场，决定了材料以不同速率传递热量的能力.

“我们发现这些原子位置的这种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热导率，”资深作者JosephHeremans教授说。俄亥俄州立大学机械与航空航天工程、材料科学与工程和物理学专业。

“人们倾向于认为原子振动是既定事实，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，这种材料的热导率可以在室温下改变，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，从而提高了实际应用的可能性。研究人员表示，该技术在世界范围内的应用。

该研究今天(2023年2月1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，属于一类称为压电材料的材料，当施加电场时会改变形状，或在机械应力下产生电荷。

铁电体是压电体的一个子集，在这种材料中，原子上的电荷可以自发地形成电偶极子，所有电偶极子都沿同一方向排列，形成所谓的极化。这些偶极子可以通过外部电场切换。

直到现在，科学家们还没有正式写下当施加热量时这种极化将如何移动。在这篇新文章中，通过引入同时携带极化波和热波的准粒子(称为铁子)来描述这种运动。铁铁对外部电场很敏感，这意味着施加外部电场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BrandiWooten博士说。俄亥俄州立大学材料科学与工程专业的学生。

Wooten将铁子的行为比作体育场的波浪，每个体育迷代表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——一个带电荷的原子上下移动产生一个偶极子。你可以把人们的手举起来做波作为偶极子的力量——如果他们的手举起来，它真的很强。如果他们稍微下降一点，那就更弱了，如果他们一路下降，那就是负面的，”她说。“这就是偶极子的强度。我们发现这些特殊的波既携带热量又携带极化，我们将它们标记为铁电子。”

这种传热特性是由电场通过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，原子和它们之间的力来回移动，最终改变材料的机械性能并且因此改变了它的导热性，赫尔曼斯说，他也是俄亥俄州纳米技术领域的杰出学者。

“铁铁对固体中的应变也很敏感。由于铁铁携带热量，因此携带的热量取决于电场，”他说。“所以我们写了一个新理论，它涉及外部电场、它在铁电体中引起的应变，以及这种应变最终如何影响热导率。”

该理论具有预测性，因此研究人员现在可以使用它来寻找影响更大的材料，最终导致材料的大小足以用于日常应用中的热开关，例如收集太阳能。

对材料施加电场会在最大和最小电导率之间产生2%的差异——正如新理论所预测的那样。一系列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实验证实，“这一切只取决于材料结构，不一定是什么散射了振动，”Wooten说。

正如新理论所预测的那样，研究人员现在正在研究其他材料，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，”Heremans说。“我们正在寻找具有正确参数的材料。”

其他共同作者包括日本国家材料科学研究所的RyoIguchi和Ken-ichiUchida;东北大学的PingTang和GerritBauer;和俄亥俄州立大学的JoonSangKang。