Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio han descubierto la forma de controlar el calor con un campo magnético.
En la edición del 23 de marzo de la revista Nature Materials , que describen cómo un campo magnético más o menos el tamaño de una resonancia magnética médica reduce la cantidad de calor que fluye a través de un semiconductor en un 12 por ciento.
El estudio es el primero en demostrar que los fonones acústicos - las partículas elementales que transmiten calor y sonido - tienen propiedades magnéticas.
"Esto añade una nueva dimensión a nuestra comprensión de las ondas acústicas," dijo Joseph Heremans, Ohio erudito eminente en Nanotecnología y profesor de ingeniería mecánica en el estado de Ohio."Hemos demostrado que podemos dirigir calor magnéticamente. Con un campo magnético lo suficientemente fuerte, tenemos que ser capaces de dirigir las ondas de sonido, también."
La gente puede ser lo suficiente inteligente como para saber que el calor y el sonido no tienen nada que ver entre sí, y mucho menos que, o bien pueden ser controlados por los imanes, Heremans reconoció. Pero ambos son expresiones de la misma forma de energía, cuántico hablando mecánicamente. Así que cualquier fuerza que controla uno debe controlar a la otra.
"En esencia, el calor es la vibración de los átomos", explicó. "El calor es conducido a través de materiales por las vibraciones. Cuanto más caliente es un material, más rápido los átomos vibran.
"El sonido es la vibración de los átomos, también", continuó. "Es a través de vibraciones que te hablo, porque mis cuerdas vocales comprimen el aire y crean vibraciones que viajan a usted, y usted recogerlos en sus oídos como el sonido."
El nombre "fonones" suena muy parecido a "fotones". Eso es porque los investigadores consideran que son primos: Los fotones son partículas de luz, y fonones son partículas de calor y sonido. Pero los investigadores han estudiado los fotones intensamente durante cien años - desde que Einstein descubrió el efecto fotoeléctrico. Fonones no han recibido tanta atención, por lo que no se sabe mucho acerca de ellos más allá de sus propiedades de calor y sonido.
Este estudio muestra que los fonones tienen propiedades magnéticas, también.
"Creemos que estas propiedades generales están presentes en cualquier sólido", dijo Hyungyu Jin, investigador postdoctoral del Estado de Ohio y autor principal del estudio.
La implicación: En materiales como vidrio, piedra, plástico - materiales que no son convencionalmente magnética - el calor puede ser controlado magnéticamente, si tiene un imán lo suficientemente poderoso. El efecto sería pasar desapercibido en los metales, que transmiten tanto calor a través de los electrones que cualquier calor transportado por fonones es insignificante en comparación.
No habrá ningún aplicaciones prácticas de este descubrimiento en el corto plazo: los imanes -tesla como la utilizada en el estudio no existen fuera de los hospitales y laboratorios, y el semiconductor tuvo que ser enfriado a -450 grados Fahrenheit (- 268 grados Celsius) - muy cerca del cero absoluto - para hacer que los átomos del material ralentizan suficiente para los movimientos de los fonones 'para ser detectable.
Es por eso que el experimento fue tan difícil, dijo Jin. Tomando una medida térmica a una temperatura tan baja era difícil. Su solución fue tomar un pedazo del indio antimoniuro semiconductores y darle la forma de un tenedor de sintonía ladeada. Un brazo del tenedor fue de 4 mm de ancho y los demás 1 mm de ancho. Plantó calentadores en la base de los brazos.
El diseño trabajó debido a una peculiaridad en el comportamiento del semiconductor a bajas temperaturas. Normalmente, la capacidad de un material para transferir calor dependería únicamente en el tipo de átomos, de los que está hecho. Pero a temperaturas muy bajas, tales como los utilizados en este experimento, otro factor entra en juego: el tamaño de la muestra que se está probando. En esas condiciones, una muestra más grande puede transferir calor más rápido que una muestra más pequeña del mismo material. Esto significa que el brazo mayor del tenedor de ajuste podría transferir más calor que el brazo más pequeño.
Heremans explicó por qué.
"Imagínese que el tenedor de sintonía es la pista y los fonones que fluyen desde la base son corredores en la pista. Los corredores que toman el lado estrecho del tenedor apenas tienen espacio suficiente para pasar a través, y siguen chocando con las paredes de la pista, lo que les frena. Los corredores que toman la pista más ancha puede correr más rápido, debido a que tienen un montón de espacio.
"Todos ellos acaban de pasar a través del material - la pregunta es qué tan rápido", continuó. "Las colisiones que más se someten, más lento van."
En el experimento, Jin midió el cambio de temperatura en ambos brazos del tenedor de sintonía y se resta uno del otro, ambos con y sin un campo magnético 7-tesla encendido.
En la ausencia del campo magnético, el brazo más grande en el tenedor de sintonía transfiere más calor que el brazo más pequeño, al igual que los investigadores esperaban. Pero en presencia del campo magnético, el flujo de calor a través del brazo mayor frenado por 12 por ciento.
Entonces, ¿qué ha cambiado? Heremans dijo que el campo magnético causado algunos de los fonones que pasan a través del material a vibrar fuera de sincronización para que chocaron uno dentro de otro, un efecto identificado y cuantificado a través de simulaciones por ordenador realizadas por Nikolas Antolín, Oscar Restrepo y Wolfgang Windl, todos Ohio Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería del Estado.
En el grupo más grande, la libertad de movimiento trabajó contra los fonones - experimentaron más colisiones. Más fonones fueron eliminados de su curso, y menos - un 12 por ciento menos - pasan a través del ileso material.
Los fonones reaccionaron al campo magnético, por lo que las partículas deben ser sensibles al magnetismo, concluyeron los investigadores. A continuación, se planean probar si pueden desviar las ondas sonoras hacia los lados con los campos magnéticos.
Los co-autores en el estudio incluido Stephen Boona, investigador postdoctoral en ingeniería mecánica y aeroespacial; y Roberto Myers, profesor asociado de ciencias de los materiales e ingeniería, ingeniería eléctrica e informática y la física.
Los fondos para el estudio provino de la Oficina de Investigación del Ejército de Estados Unidos, la Oficina de la Fuerza Aérea de Estados Unidos de Investigaciones Científicas y la Fundación Nacional de Ciencia (NSF), incluidos los fondos de la NSF Materiales de Investigación de Ciencias e Ingeniería de la Ohio State. Los recursos informáticos fueron proporcionados por el Centro de Supercomputación de Ohio.
Historia de Fuente:
La historia anterior se basa en los materiales proporcionados por la Universidad Estatal de Ohio . El artículo original fue escrito por Pam Escarcha Gorder. Nota: Los materiales se puede editar el contenido y duración.
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