El campo eléctrico sintoniza el transporte de calor en sólidos

Al influir en cómo viajan los fonones a través de una red cristalina, un campo eléctrico puede comenzar a determinar tanto la velocidad como la dirección del transporte de calor.

Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge, en colaboración con científicos de la Universidad Estatal de Ohio y Amfenol Corporation, han demostrado un método para controlar el flujo de calor en materiales sólidos mediante un campo eléctrico.Los hallazgos muestran que ciertas cerámicas inteligentes pueden alterar la forma en que las vibraciones que transportan calor se mueven a través de un cristal, permitiendo un transporte térmico sintonizable eléctricamente.

La capacidad de regular el flujo de calor dentro de un material podría tener implicaciones prácticas para tecnologías donde la gestión térmica es crítica.La conducción de calor controlada eléctricamente puede contribuir a una mejor refrigeración en sistemas electrónicos, una conversión de energía de estado sólido más eficiente y una mejor regulación térmica en dispositivos a escala de chips.El control direccional del transporte de calor también podría beneficiar a aplicaciones donde el exceso de calor limita el rendimiento del sistema.

El enfoque funciona modificando cómo se mueven las vibraciones atómicas a través de la red cristalina.Cuando se aplica un campo eléctrico, las cargas internas dentro de la cerámica se alinean a lo largo de la dirección del campo.Esta alineación reduce la dispersión de fonones, las vibraciones microscópicas responsables de transportar calor a través de los sólidos.Con menos interrupciones en su camino, las vibraciones pueden viajar más lejos antes de disipar la energía, lo que da como resultado una vida útil más larga de los fonones y un transporte de calor más rápido.

El efecto se observa en una clase de materiales conocidos como cerámicas ferroeléctricas a base de relajantes.Cuando se someten a un campo eléctrico, sus dipolos internos se alinean en un proceso conocido como polarización.Las mediciones muestran que los fonones que se mueven a lo largo de la dirección del campo persisten más tiempo que los que viajan perpendicularmente a él, aumentando la conductividad térmica a lo largo de la dirección del campo hasta casi tres veces la observada a través del cristal.El comportamiento se examinó mediante experimentos realizados en la Fuente de Neutrones de Espalación utilizando dispersión inelástica de neutrones para observar tanto la estructura atómica como el movimiento dinámico dentro del material.

Puspa Upreti, investigadora postdoctoral asociada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, dice que el trabajo apunta hacia nuevas posibilidades para gestionar la energía térmica en materiales avanzados."Ser capaz de controlar qué tan rápido y de qué manera fluye el calor podría conducir a dispositivos que gestionen la energía térmica de manera mucho más eficiente".