Experiência revela novas propriedades dos campos magnéticos.

Escrito por: Equipe de Redação Ciências e Tecnologia

Pesquisadores da Universidade de Ohio descobriram como controlar o calor com um campo magnético, conforme reporta a edição de 23 de Março da revista Nature Materials [1], eles descrevem como um campo magnético mais ou menos do tamanho de um aparelho de ressonância magnética reduziu a quantidade de calor que flui através de um semicondutor em até 12%. O estudo é o primeiro a provar que os fônons acústicos – as partículas elementares que transmitem calor e som – tem propriedades magnéticas. “Isso acrescenta uma nova dimensão à nossa compreensão de ondas acústicas”, afirma Joseph Heremans, professor de engenharia mecânica da Universidade de Ohio. “Nós mostramos que podemos orientar o calor magneticamente. Com um campo magnético forte o suficiente, devemos ser capazes de orientar as ondas sonoras também.” Os fônons O nome ” fônons ” parece-se com “fótons”. Isso porque os pesquisadores consideram que eles sejam primos: Fótons são partículas de luz, e fônons são partículas de calor e som. Mas os pesquisadores têm estudado intensamente fótons por cem anos – desde que Einstein descobriu o efeito fotoelétrico. Fônons não receberam tanta atenção, e assim não se sabe tanto sobre eles além de suas propriedades de calor e som. Este estudo revela que os fônons também possuem propriedades magnéticas. 

O transporte dos fônons é a chave para a condutividade térmica nos semicondutores. [Imagem: Berkeley Lab] Relação entre o calor e o som As pessoas podem se surpreender ao saber que o calor e som tem relação um com o outro, ainda mais que qualquer um dos dois pode ser controlado por ímãs, reconheceu Heremans. Mas ambas são expressões da mesma forma de energia, em termos de mecânica quântica. Assim, qualquer força que controla um deve controlar o outro. “Essencialmente, o calor é a vibração dos átomos”, explicou ele. “O calor é conduzido através de materiais por vibrações. Quanto mais quente for um material, mais rápido os átomos vibram.

Representação de um fônon aquecendo material sólido. Os átomos do material, são mostrados em laranja, e são unidos com ligações atómicas flexíveis, mostrados como molas. O fônon transmite calor ao colidir com o átomo, criando uma vibração. A trilha do fônon é marcada com o aumento da intensidade do campo magnético, mostrado em verde. No canto inferior direito há a indicação do sentido do campo. Um campo magnético suficientemente forte faz os fônons colidirem uns com os outros e serem deflectidos fora do curso, o que reduz o fluxo de calor através do material. Imagem: Image by Renee Ripley – Universidade de Ohio. “O som também é a vibração dos átomos, também,” ele continuou. “É por meio de vibrações que eu falo com você, porque minhas cordas vocais comprimem o ar e criam vibrações que viajam até você para serem processadas em seus ouvidos.” “Acreditamos que essas propriedades gerais estão presentes em qualquer sólido”, disse Hyungyu Jin, pesquisador do Estado de Ohio, pós-doutorado e principal autor do estudo. A implicação: Em materiais como vidro, pedra, plástico – materiais que não são convencionalmente magnéticos – o calor pode ser controlado magneticamente, se você tem um ímã poderoso o suficiente. O efeito passaria despercebido em metais, que transmitem tanto calor através de elétrons que o calor transportado por fônons é insignificante se comparados. Não haverá qualquer aplicação prática desta descoberta tão cedo: ímãs de 7 teslas como o utilizado no estudo não existem fora de hospitais e laboratórios, e os semicondutores tiveram de ser refrigerados a -450 graus Fahrenheit (- 268 graus Celsius) – Muito perto do zero absoluto – para fazer os átomos do material desacelerar o suficiente para os movimentos dos fônons serem detectáveis. É por isso que a experiência foi tão difícil, disse Jin. Fazer uma medição térmica, a uma temperatura tão baixa era complicado. Sua solução foi pegar um pedaço do semicondutor indium antimonide e moldá-lo como um diapasão não simétrico. Um braço do garfo foi de 4 mm de largura e o outro, 1 mm de largura. O design funcionou por causa de um truque no comportamento do semicondutor à baixa temperatura. Normalmente, a capacidade de um material de transferir o calor irá depender apenas dos tipos de átomos, dos quais ela é feita. Mas à temperaturas muito baixas, tais como os usados ​​nesta experiência, um outro fator entra em jogo: o tamanho da amostra a ser testada. Sob essas condições, uma amostra maior, pode transferir o calor mais rapidamente do que uma amostra menor do mesmo material. Isso significa que o braço maior do garfo pode transferir mais calor do que o braço menor. Heremans explicou o porquê. “Imagine que o diapasão é uma pista, e os fônons que fluem a partir da base são corredores na pista. Os corredores que tomam o lado estreito do garfo mal tem espaço suficiente para correr, e eles ficam batendo nas paredes da pista, os tornando mais lentos. Os corredores que vão a faixa mais ampla podem correr mais rápido, porque eles têm muito espaço. “Todos eles acabam passando através do material – a questão é o quão rápido”, continuou ele. “Quanto mais colisões eles são submetidos, mais lentos ficam.” Na experiência, Jin mediou a alteração da temperatura em ambos os braços do garfo e subtraídos um do outro, ambos com e sem um campo magnético de 7 teslas ligado. Na ausência do campo magnético, o braço maior no garfo transferiu mais calor do que o braço menor, assim como os pesquisadores esperavam. Mas, na presença do campo magnético, o fluxo de calor através do braço maior diminuiu em 12 por cento. Então, o que mudou? Heremans disse que o campo magnético gerado fez com que alguns dos fônons que passam através do material vibrarem fora de sincronização, de modo que eles batiam uns nos outros, um efeito identificado e quantificado por meio de simulações de computador realizadas por Nicolas Antolin, Oscar Restrepo e Wolfgang Windl, todos do Departamento do Estado de Ohio de Ciência e Engenharia de Materiais. No braço maior, a liberdade de circulação trabalhou contra os fônons – eles sofreram mais colisões. Mais fônons foram jogados pra fora, e menos (88% do original) passaram através do material ilesos. Os fônons reagiram ao campo magnético, de modo que as partículas devem ser sensíveis ao magnetismo, concluíram os pesquisadores. Em seguida, eles planejam testar se eles podem desviar as ondas sonoras para o lado com campos magnéticos. No estudo, os co-autores incluem Stephen Boona, pesquisador de pós-doutorado em engenharia mecânica e aeroespacial; e Roberto Myers, professor associado de ciência e engenharia de materiais, engenharia elétrica, computação e física. O Financiamento para o estudo veio do Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA e da National Science Foundation (NSF), incluindo recursos do Ciência Research NSF Materiais e Centro de Engenharia no estado de Ohio. Os recursos de computação foram fornecidos pelo Centro de Supercomputação de Ohio. Referência Hyungyu Jin, Oscar D. Restrepo, Nikolas Antolin, Stephen R. Boona, Wolfgang Windl, Roberto C. Myers, Joseph P. Heremans. Phonon-induced diamagnetic force and its effect on the lattice thermal conductivity. Nature Materials, 2015; DOI: 10.1038/nmat4247 Compartilhe isso Marcado em: FÍSICA ONDULATÓRIA Escrito por Equipe de Redação Ciências e Tecnologia 

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