今日讯！研究人员预测并证明了奇特的固态热开关

来源：cnBeta 　2023-02-20 16:41:28

俄亥俄州的研究人员展示了一种普通的陶瓷材料如何在响应电场时改变其导热性能，从而为固态热开关打开了大门，这可以使热电发电机的效率大大提高。这一发现是建立在有用但令人困惑的准粒子概念之上的，这些粒子表现得好像它们存在，但实际上并不存在。

固体中只有三种类型的粒子：质子、中子和电子。当挤在一个固体中时，这些单独的粒子是非常难以预测的，因为每个粒子的运动都直接受到所有其他粒子的影响，是一个巨大的混乱的多体问题。

但是，尽管有这种疯狂的复杂性，在这些系统中仍有可观察到的突发模式，它们的行为方式要简单得多，就像它们是没有与周围一切相互作用的粒子一样。研究人员已经在不同的系统中发现了一些这样的现象，并将它们称为类粒子。它们是有效的数学工具，使科学家能够处理混乱系统中出现的简单行为模式。

(资料图)

在这种情况下，相关的准粒子是"铁子"，理论上它存在于铁电材料中，是压电材料的一个子集。压电材料是在振动或受到压力时产生交流电压的材料，或者在受到外部交流电压时产生振动。例如，一些麦克风使用压电元件将声波转换为电信号。铁电体是压电体，也显示出电极化，可通过施加电场而逆转。

单铁子像其他准粒子一样，其实并不存在，但是它们描述了在铁电材料中移动的波，这些波同时携带热量和极化，以可预测的方式传播，即使矩阵中每个粒子的现实情况要复杂得多。

俄亥俄州的研究人员预测了，然后试图确认铁子的行为，使用一种普通的锆钛酸铅陶瓷作为他们的铁电材料。他们的理论是：当用电场在铁电材料中诱发压电振动时，这些振动将改变材料的导热性。

俄亥俄州立大学的Brandi Wooten（左）和Joseph Heremans已经预测并证明了"铁子"类粒子的影响。

"这些原子位置的这种变化，以及振动性质的改变，一定会携带热量，因此改变这种振动的外部场一定会影响热传导性，"机械和航空航天工程、材料科学和工程以及物理学教授Joseph Heremans--以及发表在《科学进展》杂志上的一项新研究的高级作者--在一份新闻稿中说。

"铁子对固体中的应变也很敏感。由于铁子携带热量，这使得携带的热量取决于电场。所以我们写了一个新的理论，将外部电场、它在铁电中引起的应变，以及最终这种应变如何影响热传导性联系起来。"

实验证实了他们的预测，研究人员在陶瓷上施加一个电场，在其最大和最小热导率之间产生了2%的差异，该理论预测，将有其他材料能够改变热导率达15%。

潜在的研究成果会是一种新型的热开关，在一定的温度范围内不需要移动部件就能工作。目前的大多数技术要么依赖于机械阀门，而机械阀门会随着时间的推移而失效，要么它们依赖于极低或非常特殊的温度来表现出任何有用的效果。

这可能导致热电系统效率的根本性飞跃，该系统将热量转化为电能。Heremans告诉IEEE Spectrum说："发电电路的热力学效率在很大程度上取决于热库和冷库之间的温度差。有了热开关和储热系统，就有可能使储热介质的温度远远高于热源的平均温度并接近其最大值，这可以使系统的热效率提高一倍之多。"

这篇论文在《科学进展》杂志上公开发表。

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